一種寬帶寬波束圓極化喇叭天線設計方法

何清明 于偉 李智

摘 ?要：四脊型寬帶寬波束圓極化喇叭天線因其扇形波束和圓極化特性在電子自衛干擾設備中應用廣泛。分析表明，采用非等化對脊結構四脊喇叭體與異型介質移相片結合可實現3：1工作帶寬，新穎的層疊介質透鏡在解決波束展寬的同時實現2.4：1.0軸比帶寬，整體指標已接近國外類似產品。研究表明，該設計方法可作為解決寬帶寬波束圓極化喇叭天線小型化有效途徑之一。

關鍵詞：寬帶;寬波束;圓極化;異型介質移相片;層疊介質透鏡;軸比

中圖分類號：TN828 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）23-0061-04

A Design Method of Broadband and Wide Beam Circular Polarization Horn Antenna

HE Qingming，YU Wei，LI Zhi

（Key Laboratory of Electronic Information Control，Chengdu ?610036，China）

Abstract：Four ridge broadband and wide beam circularly polarized horn antenna is widely used in electronic self-defense jamming equipment because of its sector beam and circular polarization characteristics. The analysis shows that the combination of non-equivalent to the ridge structure four ridge horn body and the heteromorphic medium transfer photo can be achieved 3：1 working bandwidth. The new laminated dielectric lens can achieve 2.4：1.0 axial ratio bandwidth while solving beam broadening. The overall index is close to similar products abroad. Research shows that this design method can be used as one of the effective ways to solve miniaturization of the broadband and wide beam circular polarization horn antenna.

Keywords：broadband;wide beam;circular polarization;heteromorphic medium transfer photo;laminated dielectric lens;axial ratio

0 ?引 ?言

電子干擾設備的目標多種多樣，分布范圍廣，極化隨機性強，其配置天線通常須滿足瞬時寬帶寬波束和極化多樣性的特征。國內外相關設備大多采用寬帶寬波束圓極化或斜極化天線。新型四脊型寬帶寬波束圓極化喇叭天線，波束呈扇形，能夠滿足絕大多數電子干擾設備的需求，對其開展研究具有較高的工程價值。國外原型公開于20世紀70年代，內部結構不詳，當時國內分析與設計條件有限，無法進行深入研究。20世紀90年代，國內曾以此為藍本開發出6.5 GHz～18.0 GHz的類似產品[1]，但其縱向尺寸過長，使用起來十分不便。TECOM（美）、SAAB（瑞典）和M.E.C（美）等公司開發出一種新型四脊寬帶寬波束圓極化喇叭天線[2，3]，具有結構簡單、縱向尺寸小、波束呈扇形的特點。ITT航空電子設備公司（美）開發的AN/ALQ-211綜合射頻對抗組件（SIRFC）所配置的雙圓極化發射天線，屬于公開資料中四脊型寬帶寬波束圓極化喇叭天線的最新形式。兩種天線在國內均未得到實際應用，其設計方法也未見諸公開資料。研究表明：四脊型寬帶寬波束圓極化喇叭天線縱向尺寸可以縮短，其軸比受內部結構參數和材料參數的影響很大，要想實現3：1軸比帶寬則存在一定困難，然而，大多數應用環境并不需要軸比帶寬達到3：1。在軸比較差頻段，極化呈斜橢圓，所以該天線同樣具備極化適應能力。

1 ?原理結構及工作原理優化

天線由四脊喇叭體、異型介質移相片和層疊介質透鏡組成，如圖1所示。激勵端口采用相應標準的雙脊波導。

雙脊波導與四脊喇叭體（內含異形介質移相片）錯位45°對接實現圓極化;層疊介質透鏡起展寬波束的作用。電磁信號經過雙脊波導在四脊喇叭體輸入端分解成等幅同相正交線極化工作主模TE10和TE01。兩個主模信號經過四脊喇叭體（內含異型介質移相片）后在喇叭體口面實現相差π?2（或-π?2）。兩個主模信號通過層疊介質透鏡的展寬作用實現輻射方向圖的展寬（沿介質透鏡方向）。兩個主模信號通過口面輻射，在外部空間進行矢量合成，在主波束一定空域內形成圓極化電磁波，其極化旋向取決于具體工程產品的激勵模式。我們不妨將電場與異型介質移相片寬面平行的傳輸主模定義為TE10，而將另一傳輸主模定義為TE01。圖2為喇叭體內坐標關系示意圖。

以四脊喇叭體的輸入端作為坐標原點，兩個主模在喇叭體口面的相差可按式（1）估算：

Δφ=2πdz ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，f為工作頻率;L為喇叭體總長度;λg1（z，f）為縱向坐標z橫截面尺寸條件下模式1波導波長;λg2（z，f）為縱向坐標z橫截面尺寸條件下模式2波導波長。

在縱向坐標z橫截面尺寸條件下模式1和模式2的波導波長按式（2）和式（3）計算：

λg1（z，f）= ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

λg2（z，f）= ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，λ0（f）為電磁波在真空中的波長;εre1（z）為縱向坐標z位置橫截面尺寸模式1等效介電常數，可用微擾法或變分法獲得近似值，也可通過電磁仿真工具軟件數值分析獲得精確值;εre2（z）為縱向坐標z位置橫截面尺寸模式2等效介電常數，可用微擾法或變分法獲得近似值，也可通過電磁仿真軟件數值分析獲得精確值;λc1（z）為縱向坐標z位置橫截面尺寸模式1截止波長，可通過類似雙脊波導橫向諧振法獲得相應本征值的解析方程[1，4]，再通過數值方法求解本征值，由本征值求出模式1截止波長;λc2（z）為縱向坐標z位置橫截面尺寸模式2截止波長，可通過類似雙脊波導橫向諧振法獲得相應本征值的解析方程[1，4]，再通過數值方法求出本征值，由本征值求出模式2截止波長。

當喇叭體口面Δφ滿足±π/2要求時，天線輻射圓極化電磁波。雙脊波導與四脊喇叭體的相對位置關系決定了極化旋向。

2 ?設計方法

喇叭體口面的參數以工作頻帶的高端作為設計基礎，一般在1.35～1.65λmin范圍內選取。當喇叭體口面尺寸過大時，會使兩個正交主模輻射的電磁波相位方向圖差異過大而導致寬角軸比惡化。喇叭體的長度一般在3.5～5.5λmin范圍內選取。喇叭體的兩對脊采用等化設計模式。原則上，安裝移相片的脊間距應小于另一對脊間距以均衡異型介質移相片引入的相移頻率特性。脊間距的過渡采用直線形式，并在脊上增加異型介質移相片限位槽。

為便于加工，傳統的介質移相片采用平面結構形式，相關資料中有簡要介紹[5]。從原理上講，電場垂直于介質移相片寬面的相移常數可以視為真空中相移常數。實際上由于脊間間距較小，介質移相片厚度對該主模相移常數的影響無法忽略不計。借助介質移相片中間變薄的技術使等效厚度變小，以保證電場垂直于介質移相片的主模TE10相移常數逼近無介質移相片時的近似值（等效介電常數逼近1），從而解決其引入的反射問題。介質材料一般選取介電常數比較穩定的高純度PEEK或高純度聚四氟乙烯。高純度PEEK（非增強型）材料的介電常數通常取3.20±0.05，其損耗正切在0.001量級;高純度聚四氟乙烯材料的介電常數通常取2.10±0.05，其損耗正切在0.000 1量級。

特殊的介質透鏡結構將會改變傳統喇叭天線的口面場分布，從而實現頻帶高端的輻射方向圖展寬，有關波束展寬介質透鏡的設計方法在相關資料中有詳細的介紹[6]，以供參考。

傳統波束展寬介質透鏡大多采用實芯結構，重量較重，天線存在頭重腳輕的弊端。介質透鏡的介電常數和結構形式不僅關系到波束質量的好壞，同時也會對軸比產生一定的影響。工程上可采用層疊結構來消除傳統設計弊端和等效介電常數調整。層疊介質薄片厚度與層間間距比一般在1.1：1.0～1.5：1.0之間選取。層疊介質片懸空而產生的變形可導致介質透鏡頻率特性惡化，因此需要在疊片之間增加介質支撐。層疊介質透鏡的物理尺寸與介電常數相關度高，材料通常選擇高純度PEEK或聚四氟乙烯。

圓極化喇叭天線的電氣性能和物理特性與具體裝配方式有關。介質移相片移相特性的優劣與其在喇叭體內的相對位置密切相關。安裝介質移相片的脊間距原則上取負差，范圍要求控制在±0.1 mm之間。介質移相片安裝尺寸取正公差，范圍一般控制在0～0.05 mm之間。介質移相片需要由專業人員安裝。介質移相片固定在指定位置后，可以采用PEEK介質銷釘將其和四脊喇叭固定在一起。介質移相片與介質銷釘之間不得有粘膠，避免因空氣密閉其中而使功率容量下降（大功率連續長時間輻射時，很容易因空氣熱膨脹而使介質移相片出現爆裂現象）。為避免介質銷釘脫落，可在介質銷釘和喇叭體之間采用環氧膠進行粘結。介質透鏡的裝配要求相對寬松一些。

3 ?實例仿真

設計要求：頻段覆蓋7.5 GHz～18 GHz;駐波系數優于2.5;波束覆蓋（邊沿增益優于0 dB）：60°×40°;軸向軸比典型值優于3 dB，最大值優于4 dB;寬角軸比典型值優于3 dB，最大值優于5 dB（方位±30°，俯仰±20°）;功率容量不小于200 W（海拔20 000 m，連續波），降額系數本文取0.2。

根據設計目標，建立參數化模型。初始設計參數：四脊喇叭體口面25.0 mm×25.0 mm（LF6）;四脊喇叭體長度70.0 mm;異型介質移相片52.5 mm×2.4 mm（高純度聚四氟乙烯）;層疊介質透鏡27.0 mm×25.0 mm×20.0 mm（高純度聚四氟乙烯）;激勵波導選擇WRD650型雙脊波導。電磁仿真模型如圖3所示。利用商業電磁分析軟件HFSS 20 R1進行電磁特性分析與結構參數優化。電磁特性仿真結果如圖4-圖8所示，結果表明：駐波系數在3.0：1.0帶寬范圍內優于1.5;波束覆蓋優于60°×40°，其邊沿增益優于3 dB;軸向軸比在2.4：1.0帶寬范圍內優于3 dB;寬角軸比在2.4：1.0范圍內典型值優于3 dB，最大值優于4 dB（波束覆蓋范圍內）;功率容量：在輸入端采用1 200 W（18 GHz）激勵之后，天線內部的最大場強為0.6 MV/m，遠低于空氣擊穿場強（3 MV/m），按照降額系數0.2估算，功率容量可達240 W，優于設計目標?？傮w來看，除軸比帶寬外，整體性能指標已經與國外類似產品[2]公開指標相當，而寬角軸比則更優。

4 ?結 ?論

由四脊喇叭體、異型介質移相片和層疊介質透鏡結構形式可解決傳統寬帶寬波束圓極化喇叭天線小型化的難題，波束呈扇形。該類天線不僅可以廣泛地應用在常規小型電子干擾設備中，也可作為特殊波束反射面饋源應用于其他各類電子設備。如果其內部介質采用防輻射噪聲材料（如聚酰亞胺類），優化相應參數，即可將其應用于航天領域。該類天線雖結構簡單，但設計參數之間關聯性強，影響因素多，須根據實現形式進行相應的結構優化和誤差分析，增加工裝夾具控制公差。

參考文獻：

[1] 廖元壽.新型寬帶扇形波束圓極化天線 [J].電子對抗技術，1992（6）：1-5.

[2] TECOM. Circularly Polarized High Power Antennas-201614 [EB/OL].http：//www.tecom-ind.net/files/1/536146d1ac7c0-WebDA0206 009rev2.pdf.

[3] Microwave Engineering Corporation. Circularly Polarized Quad-Ridge Horn Antennas [EB/OL].http：//microwaveeng.com/product/circularly-polarized-quad-ridge-horn-antennas/.

[4] 柯林.導波場論 [M].侯元慶，譯.上海：上?？茖W技術出版社，1966：218-239.

[5] 呂善偉.微波工程基礎 [M].北京：北京航空航天大學出版社，1995：255-256.

[6] 佛拉金.特高頻天線 [M].陳秉鈞，譯.北京：國防工業出版社，1962：486-487.

作者簡介：何清明（1972—），男，漢族，四川人，高級工程師，本科，研究方向：寬帶天線分系統。