卡式天線中雙口雙模饋源設計

馬世娟，王建，鄭貴，司海峰，劉華濤

（電子科技大學電子工程學院，四川成都611731）

卡式天線中雙口雙模饋源設計

馬世娟，王建，鄭貴，司海峰，劉華濤

（電子科技大學電子工程學院，四川成都611731）

基于卡塞格倫天線對饋源工作帶寬的要求，設計了一種Ka波段雙口雙模饋源。首先，對雙口雙?？趶綀鲞M行理論分析并借助MATLAB編程作圖。然后，對饋源進行建模仿真，通過加入匹配金屬圓柱銷釘、在波導窄邊加入過渡階梯、在H臂末端寬邊處加入過渡臺階的方法使H折疊魔T的工作絕對帶寬可達7 GHz。最后，進行實測，工作絕對帶寬為2 GHz，S和口、E差口和H差口駐波比均小于2，3個端口間的隔離度均大于25 dB，仿真與實測結果吻合。

饋源；雙口雙模；Ka波段；寬帶

隨著飛行技術的發展，以及對高空、高速、隱身目標的測量等的要求，對跟蹤雷達的跟蹤速度、精度以及距離提出越來越高的要求。喇叭饋源具有加工簡單、方向性好、增益高等優點，因而被廣泛應用于反射面天線中。在反射面天線中放置小型化寬帶饋源可以減小遮擋效應、提高口徑效率、提高雷達分辨率［1］。

早期的反射面天線主要采用四喇叭單脈沖饋源或十二喇叭單脈沖饋源，但這些饋源的和差矛盾突出、前饋對電磁波的遮擋較大、天線效率低、副瓣電平高［2］。四喇叭三模單脈沖饋源［3］雖然較好的緩解了饋源的和差矛盾，但因大口徑饋源對反射面天線的遮擋效應造成副瓣電平被抬高，影響天線的輻射性能。文獻［4］驗證了魔T可以拓寬饋源的工作帶寬，并對雙模喇叭單脈沖饋源進行設計，利用魔T的寬帶特性進行改進，使天線相對帶寬由5%提到19%，但未驗證饋源的工作帶寬。文獻［5］對高性能饋源喇叭進行綜述性研究并對國內外高性能喇叭的發展現狀進行闡述，對于選用合適的饋源具有重要的指導和借鑒意義。文獻［6］利用實例驗證標準反射面天線饋源喇叭的優選照射電平，給出了標準反射面和賦形反射面在設計中各自饋源喇叭的優選邊緣照射電平。文獻［7］以用于衛星通信天線的四端口圓極化頻率復用饋源系統為例，分析電壓駐波比及軸比等指標間的關系，闡明天線系統主要指標的分配方法。文獻［8］設計了針對卡塞格倫的饋源結構，在20 GHz的衛星下行頻率可實現具有圓極化的多模單脈沖跟蹤系統，并基于此原理擴展到雙波段并工作于30 GHz。

雙波段極化扭轉卡塞格倫反射面天線因其口徑效率高、結構簡單等被廣泛應用于雷達系統中。在卡塞格倫天線上實現雙波段工作，合理設計饋源能夠提高其工作效率。實踐表明，后饋形式的雙波段極化扭轉技術可簡化支撐結構，減小兩個波端口的遮擋。通過以上設計理念與以上文獻比較，并結合卡塞格倫反射面天線對饋源的要求，設計了一種用于卡塞格倫天線系統中的Ka波段雙口雙模饋源，且可與X波段組合成雙波段饋源。首先，對雙口雙?？趶綀鲞M行理論分析并借助MATLAB編程作圖。然后對饋源進行建模仿真，其中通過加入匹配金屬圓柱銷釘、在波導窄邊加入過渡階梯、在H臂末端寬邊處加入過渡臺階的方法使H折疊魔T的工作絕對帶寬可達7 GHz。最后，進行實測，工作絕對帶寬為2 GHz，S和口、E差口和H差口駐波比均小于2，3個端口間的隔離度均大于25 dB，仿真與實測結果吻合。

1　饋源設計

文中設計的Ka波段卡塞格倫反射面天線系統中的饋源由和差比較器、過渡波導段、檢測波導以及饋電器組成，其中，為檢測饋源工作時的性能，在過渡波導段安裝檢測波導。饋源結構模型如圖1所示。

圖1　饋源整體模型

Ka波段雙口雙模饋源通過模生成器提供所需的TE10模和TE20模，并通過其幅度與相位的改變來產生所需的波束。其具體工作原理為：信號到達饋源的雙喇叭口后激勵起TE10模和TE20模，TE10模依次經過主波導、激勵波導和過渡波導段到達和差比較器中的E折疊魔T，相加后從S和口輸出所需的S面和信號，相減后從E差口輸出所需的E面差信號。TE20模進入和差比較器后在兩個H面折疊魔T的E壁分別激勵出H差信號，兩個H差信號經過3 dB電橋后從H差口輸出所需的H面差信號。

在理想狀態下，當目標反射信號進入饋源雙喇叭口后，若信號全部進入和通道中，此時E差與H差通道信號基本對消。當信號偏離一定位置時，目標反射信號將使E差口與H差口有輸出信號。在每種情況下所輸出的信號幅度與相位偏差成正比關系，通過比較幅度與相位可以確定目標所在的位置。

2　口徑場分析

矩形口徑面中電場與磁場為非均勻分布，本文中采用惠更斯源法求矩形口徑面的場分布?；莞乖炊x為天線口徑面上電磁波傳播前的一個矩形面元dxdy，在此矩形面元中場的振幅與相位都是均勻的，且有Esx/Hsy=120π。矩形口徑直角坐標系如圖2所示，其中，2（a）與2（b）分別為矩形口徑的長與寬。

圖2　矩形口徑直角坐標系

圖3　三種狀態下的口徑場分布

惠更斯元空間合成遠區電場為：

在圖2中，矩形口徑2a×2b可以分為無限個惠更斯矩形面元，由以上推導的惠更斯面元遠區電場求出矩形口徑的遠區電場為：

2.1和狀態輻射特性

本文設計的Ka波段饋源的輻射口徑面由兩個同樣尺寸大小且對稱放置的矩形平面組成，圖3（a）所示為和狀態下雙喇叭口面上的口徑場分布。其中，2a、2b、2c分別為矩形喇叭口的長邊、短邊、兩個矩形喇叭口之間的距離。

饋源和口狀態下口徑面電場表達式為：

其中，

和狀態下饋源方向圖函數為：

其中，t1=βsinθcosφ，t2=βsinθsinφ。

2.2E面差狀態輻射特性

如圖3（b）所示為饋源在E面差狀態下雙喇叭口面的電場分布。

E面差狀態下口徑面電場表達式為：

其中，

E面差狀態下饋源方向圖函數為：

其中，t1=βsinθcosφ，t2=βsinθsinφ。

2.3H面差狀態輻射特性

饋源在H面差狀態下雙喇叭口面的電場分布如圖3（c）所示。

由圖可得出方位差狀態下口徑分布的電場的表達式為：

其中，

H面差狀態下饋源方向圖函數為：

其中，t1=βsinθcosφ，t2=βsinθsinφ。

下邊頻點處和狀態下φ=0與φ=90、E面差狀態、H面差狀態歸一化方向圖如圖4所示。由圖4（a）與（b）看出H面與E面的歸一化和方向圖較對稱，的邊緣照射電平均在-12～-18 dB范圍內。由圖4（c）與（d）看出E面差與H面差狀態下的歸一化方向圖的零值深度小于-60 dB，且零點無偏移。

3　H折疊魔T設計

和差比較器作為饋源結構中重要部分，它由一個E折疊魔T、兩個H折疊魔T、3 dB電橋和彎波導組成。其中，寬頻帶的H折疊魔T對和差比較器的工作帶寬有重要作用，H折疊魔T模型如圖5所示。

鑒于魔T本身不連續，文中先在不連續處加入匹配金屬圓柱銷釘，并在波導窄邊加入過渡階梯，同時在H臂末端寬邊處加入過渡臺階，利用Ansoft HFSS軟件進行仿真優化，中心頻率為f0的絕對帶寬Δf為7 GHz范圍內E口與H口的駐波比小于2，E口與H口間的隔離度大于50 dB。

最后，將設計的和差比較器進行仿真優化，在絕對帶寬2 GHz范圍內，S和口、E差口、H差口的駐波均小于1.4，3個端口之間的隔離度大于55 dB，這說明H折疊魔T對于拓寬和差比較器的工作帶寬有一定的影響。

圖4　下邊頻點和、差狀態下歸一化方向圖

圖5　H折疊魔T模型

4　仿真與測試

對圖1所示的饋源整體進行仿真優化，工作頻帶內的S和口、H差口、E差口3個端口的駐波比如圖6所示。3個端口的駐波比均小于2。

圖6　饋源各端口駐波比

饋源實物如圖7所示。饋源輻射口面采用介電常數為2.2的介質板密封。

圖7　X/Ka波段饋源實物

用標量網絡分析儀對饋源波段內各端口的駐波比與端口間的隔離度進行測試，測試結果表明，3個端口的駐波均小于2，S和口與H差口間的隔離度小于-32 dB，S和口與E差口間的隔離度小于-25 dB，E差口與H差口間的隔離度小于-34 dB。設計的饋源的方位面與俯仰面的和、差歸一化方向圖在下邊頻處的測試結果和仿真結果如圖8所示。

圖8　下邊頻時和、差歸一化方向圖

由圖8可以看出，下邊頻的和方向圖在位置的歸一化增益約為-15 dB，初級歸一化和方向圖較對稱，方位面歸一化和方向圖的測試結果與仿真結果較為一致。俯仰面差方向圖的測試結果與仿真結果較為一致，零值深度均小于-25 dB，方位面差方向圖的測試結果顯示有零偏。

5　結論

設計了一種用于卡塞格倫天線系統中的Ka波段雙口雙模饋源。首先，對雙口雙?？趶綀鲞M行理論分析并借助MATLAB編程作圖。然后對H折疊魔T進行建模仿真，其工作絕對帶寬可達7 GHz，對于拓寬饋源的工作帶寬具有一定的作用。最后，進行實測，工作絕對帶寬為2 GHz，S和口、E差口和H差口駐波比均小于2，三個端口間的隔離度均大于25 dB，仿真與實測結果吻合。

［1］楊可忠，楊智友，張日榮.現代面天線新技術［M］.北京:人民郵電出版社，1993.

［2］郁正強.前饋四喇叭拋物面反射器天線矯正焦距的確定［J］.電子學報，1982（2）:90-93.

［3］Lee K M，Ruey Shi Chu.Design and analysis of a multimode feed horn for a monopulse feed［J］.IEEE Transactions on Antenna and Propagation，1988，36（2）:171-181.

［4］李方，李長源.寬帶雙喇叭單脈沖饋源設計［J］.現代導航，2014（3）:205-208.

［5］謝蘇隆，葉長利，于飛.高性能饋源喇叭綜述［J］.空間電子技術，2014（4）:11-18.

［6］高美麗，萬繼響，田步寧.反射面天線饋源喇叭邊緣照射電平的分析［J］.微波學報，2012（S2）:80-83.

［7］段斌，李紅衛.天線及饋源系統主要指標關系的分析［J］.微波與衛星通信，1999（2）:30-32.

［8］Hendrik Bayer.Multimode Monopulse Tracking Feed with Dual-band Potential for Land-mobile Satellite Communications in Ka-band［C］//Proceedings of the 5th European ConferenceonAnetnnasandPropagation，Rome，2011:1169-1172.

The design of dual-aperture dual-mode feed of cassegrin

MA Shi-juan，WANG Jian，ZHENG Gui，SI Hai-feng，LIU Hua-tao
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

In order to meet the requirements to feed in Cassegrain antenna，the title proposed an Ka-band dual-port dual-mode feed for Cassegrin antenna system.Firstly，analysis the theory and plot using MATLAB of the dual-port dual-mode diameter field.Secondly，simulate the model，An matching metal cylinder pins，Transitional steps at the narrow waveguide and at the end of H-arm are used to improve the performance of H floded magic T.Lastly，test results show that the VSWR of S summation port，S differencing port and H differencing port are all below 2，the isolation among these three ports are all larger than 25 dB in the bandwidth of absolute 2 GHz.The simulation and test results are similar.

feed；dual-aperture dual-mode；Ka-band；wide band

TN819.1

A

1674－6236（2016）12-0073-04

2015-06-15稿件編號：201506153

馬世娟（1989—），女，山東諸城人，碩士研究生。研究方向：天線理論分析與設計。