一種X波段多極化橢圓波紋喇叭設計

王明啟

(安徽博微長安電子有限公司,安徽 六安 237000)

0 引 言

現代武器和飛行技術的發展對雷達的極化方式、抗干擾能力、作用距離、分辨精度等性能提出了越來越高的指標要求。在這種背景下,雷達天線須具有極化可變能力和低副瓣性能,同時在垂直面、水平面分別形成賦形和窄波束,以提高搜索范圍和分辨精度。雙彎曲天線口徑通常為矩形或橢圓形,其饋源形式的選擇與天線口徑的寬高比有關。在大寬高比多極化天線設計中,饋源作為設計的關鍵,其性能的優劣直接影響反射面天線的輻射特性。

饋源一般選擇矩形喇叭天線,矩形喇叭可分成H面扇形喇叭、E面扇形喇叭和角錐喇叭。當反射面天線寬高比小于1.5,且不要求多極化轉換時,可選擇其作為饋源。但當反射面天線寬高比很大,且要求多極化轉換時,矩形喇叭由于其雙極化方向圖很難等化,E、H面波瓣寬度差異性不大等因素,不適合作為大寬高比多極化反射面天線饋源[1]。

橢圓波紋喇叭由于波紋槽使喇叭口徑邊緣的繞射得到很好的抑制,其方向圖具有副瓣低及等化性好等優點,是高性能反射面天線饋源的最佳選擇。針對X頻段大寬高比、多極化可變雙彎曲反射面天線的需求,設計一種帶正交模的橢圓波紋喇叭,其具有頻段寬、交叉極化電平低、方向圖平坦和雙極化波瓣等化性好等優點。

1 喇叭設計

1.1 波紋喇叭傳輸特性分析

利用表面電阻法分析饋源中波紋結構的傳輸特性。假定波紋的周期遠小于波長,但在實際加工中,受加工工藝限制,波紋周期遠遠小于波長的假設不成立,因此該方法只適用于大體研究波紋的傳輸特性。

利用表面阻抗法推導出波紋喇叭的特性方程為

(1)

定義等效壁導納

(2)

式中,Nm為紐曼函數[2]。

1.2 正交模耦合器設計

正交模耦合器用于實現天線極化分離,作為實現雙極化天饋單元的重要部件,對于兩個相互正交的極化波來說是一個分離(接收時)或者混合(發射時)的元件。對正交模來說,各個端口的匹配和隔離尤為重要,模式正交也將引入極化隔離,更能保證隔離效果。

本設計采用圓波導作為公共端口,便于與波紋喇叭連接,矩形波導作為分支端口,完成TE11到TE10模式或TE10到TE11模式的轉換。分支端口采用多階矩形波導變換,變換段保持切比雪夫式阻抗變換,使得帶內回波損耗盡量低且平坦。分端口間放置金屬短路板,使其擁有良好的極化隔離特性[3]。正交模仿真如圖1所示,分端口隔離度仿真如圖2所示。

圖1 正交模仿真模型圖

圖2 正交模分端口隔離度仿真圖

1.3 波紋喇叭參數設計

本方案采用齒槽方向垂直于軸線的徑向槽。設計需要在橢圓喇叭光滑壁上對稱開設一系列不同深度的溝槽。這些溝槽對縱向流動的面電流呈現很大的阻抗,從而使縱向的面電流密度大大減小,根據電流連續性原理,縱向面電流的減少會使內壁表面附近的法向位移電流密度減小,從而使喇叭口徑上邊緣附近的法向電場分量減弱,即使得E面的場分布也變為由口徑中心向邊緣下降,最終使得E面和H面方向圖對稱,進而獲得良好的輻射對稱性[4]。

依據天線垂直面和水平面的半張角以及邊緣饋電電平,初步確定橢圓波紋喇叭的口徑尺寸(即長短軸半徑a和b)。波瓣形狀近似于高斯形,可以借助圓口徑波紋喇叭HE11的歸一化場強方向圖,確定喇叭垂直面-10 dB波束寬度,進而確定長軸半徑a,再由橢圓長短軸和口徑橢圓率關系圖求得水平面與垂直面-10 dB波瓣寬度之比,進而確定橢圓喇叭短軸半徑b。喇叭最佳長度L可由下式大致確定[5]:

(3)

喇叭尺寸如圖3所示。喇叭輸入端槽深d按工作頻率λ/2設計,以此獲得低表面阻抗,進而改善喇叭的匹配,喇叭開口端槽深d按工作頻率λ/4設計,以達到HE11模式的平衡混合條件。中間槽深采用平衡過度,以達到最佳的匹配性能。過渡槽數為6,總槽數為11。w為槽寬,t為齒寬,p為槽周期,w=t=0.5p。

圖3 橢圓波紋喇叭尺寸示意圖

因為橢圓波紋喇叭具有非圓對稱的特性,其阻抗邊界條件不能在寬頻帶內同時滿足兩個正交模,對于本設計中橢圓率很大的喇叭,通過設計波紋槽深漸變的方式進行補償。

2 徑向槽波紋喇叭天線仿真及實測

根據上述計算結果,利用HFSS電磁仿真軟件建模仿真。優化分析橢圓到圓的過渡段、槽數量、槽深及正交模,最終確定喇叭參數為長軸半徑a=85 mm,短軸半徑b=40 mm,軸向長度L=166 mm,長軸張角15.3°,短軸張角5.9°。喇叭輸入端槽深d=15 mm,輸出端槽深d=8 mm,槽周期P=20 mm,槽寬W=10 mm,槽間距t=10 mm。仿真模型如圖4所示,水平、垂直極化水平面和垂直面方向圖如圖5、圖6所示,正交模分端口駐波如圖7所示,水平極化、垂直極化E、H面交叉極化電平如圖8、圖9所示。

圖4 仿真模型圖

圖5 水平、垂直極化垂直面仿真方向圖

圖6 水平、垂直極化方位面仿真方向圖

圖7 仿真駐波圖

圖8 水平極化E、H面交叉極化抑制度仿真圖

圖9 垂直極化E、H面交叉極化抑制度仿真圖

該喇叭天線工作頻段較高、物理尺寸較小,徑向槽的加工、倒角的清理對加工和裝配的精度要求很高,實際加工時使用高精度五軸數控機床、線切割等方法來保證加工精度,利用真空釬焊技術分別加工橢圓波紋喇叭的上下兩面,在上下兩面的連接處安裝定位銷以保證裝配精度,通過高精度拼接形成實物喇叭。喇叭實物如圖10所示。

圖10 喇叭實物圖

利用ORBIT平面近場測試系統,選擇合理截斷角對喇叭進行測試,駐波測試結果如圖11所示。帶內駐波在1.4以內,表明喇叭水平及垂直極化駐波性能良好。

圖11 水平、垂直極化駐波實測圖

圖12 水平、垂直極化垂直面實測方向圖

方向圖測試結果如圖 12、圖13所示,可見水平、垂直極化水平面及垂直面-20 dB幅度電平差值均在0.2 dB以內,具有良好的幅度等化性。

圖13 水平、垂直極化方位面實測方向圖

交叉極化測試結果如圖14、圖15所示,照射角內極化抑制度優于35 dB,具有良好的交叉極化抑制性能。正交模分端口隔離度測試結果如圖16所示,可見分端口隔離度優于40 dB,具有良好的極化隔離性能。仿真數據與實測結果基本一致,滿足設計要求。

圖14 水平極化E、H面交叉極化抑制度實測圖

圖15 垂直極化E、H面交叉極化抑制度實測圖

圖16 正交模分端口隔離度測試圖

實際設計中圓波導到橢圓波紋喇叭之間應設計一段圓到橢圓的變換,考慮加工難度和成本,選用光壁波導過渡,過渡段的設計應避免引起不必要的高次模。

3 結束語

本文介紹了一種徑向帶正交模的橢圓波紋喇叭設計方法,通過波紋槽深漸變的方式使阻抗邊界條件同時滿足兩個正交模。設計仿真結果與實物測試對比表明:該X頻段天線具有良好的輻射性能,可作為大寬高比、多極化可變的雙彎曲反射面天線饋源使用,為X頻段反射面天線饋源設計提供參考。