1、双极化喇叭天线双极化喇叭天线 双极化喇叭天线双极化喇叭天线l前言前言l天线介绍天线介绍l天线设计天线设计l电性能测量结果电性能测量结果l开放边界双极化喇叭天线简介开放边界双极化喇叭天线简介 双极化喇叭天线双极化喇叭天线l前言：前言：l电子侦察设备所使用的平面螺旋天线，是频率电子侦察设备所使用的平面螺旋天线，是频率宽开的，而地面的检测设备使用喇叭天线。它宽开的，而地面的检测设备使用喇叭天线。它一般频带比较窄，需要多个天线才能覆盖。外一般频带比较窄，需要多个天线才能覆盖。外场使用很不方便，为了解决这个问题，我们开场使用很不方便，为了解决这个问题，我们开展了宽带双极化喇叭天线的试制工作。展了宽带双极
2、化喇叭天线的试制工作。2-18GHZ2-18GHZ双极化喇叭天线双极化喇叭天线l天线介绍：天线介绍：l天线有两个输入端，具有瞬时提供垂直极化，水平极天线有两个输入端，具有瞬时提供垂直极化，水平极化的能力。适用于机载、舰载无源探测系统。还适用化的能力。适用于机载、舰载无源探测系统。还适用于实验室设备和外场检测设备。于实验室设备和外场检测设备。l工作频段：工作频段：2-18GHz 驻波：驻波：3.5l增益：增益： 6dB 6dB 隔离隔离 15dBl功率处理能力：功率处理能力：1W 1W 尺寸：尺寸：140140140140345mm345mml重量：重量：0.8kg0.8kg 天线设计天线设计a
3、 a、四脊波导参数选择、四脊波导参数选择b b、喇叭张开部分脊的设计、喇叭张开部分脊的设计c c、背腔设计、背腔设计d d、电性能测量结果、电性能测量结果 2-18GHZ2-18GHZ双极化喇叭照片双极化喇叭照片四脊波导结构图四脊波导结构图四脊波导参数选择四脊波导参数选择l四脊波导的结构四脊波导的结构如图如图所示：它可以近似看成两个所示：它可以近似看成两个b/a=1b/a=1的双的双脊波导组合而成这样就可以利用有关脊波导的设计曲线脊波导组合而成这样就可以利用有关脊波导的设计曲线lb/a=1b/a=1的双脊波导又可看成由两个的双脊波导又可看成由两个b/a=0.5de b/a=0.5de 单脊波导
4、构成。单脊波导构成。令双脊波导的特性阻抗为令双脊波导的特性阻抗为6060，那么单脊波导的特性阻抗即，那么单脊波导的特性阻抗即为为3030。由图的曲线上可查得。由图的曲线上可查得 b b2 2/b/b1 1=0.03 =0.03 ， s/a=0.17 s/a=0.17 而而 b=2bb=2b1 1 ， d=2bd=2b2 2 所以所以 d/bd/b=0.06 =0.06 ， s/a=0.17 s/a=0.17 l根据此参数，可由图查得根据此参数，可由图查得 TETE1010模的截止波长模的截止波长 c c1010/a=4.75 /a=4.75 令频率低端的截止频率为令频率低端的截止频率为1900
5、MHZ 1900MHZ 截止波长为截止波长为157.9mm 157.9mm 从而从而求求得得 a=33.24mma=33.24mm我们取我们取a=34mma=34mm。由於四脊波导是方形的，故。由於四脊波导是方形的，故b=34mm b=34mm 四脊波导参数选择四脊波导参数选择l由於激励点选在波导的中心，并且还加有一段直波由於激励点选在波导的中心，并且还加有一段直波导作为滤除激励出来的导作为滤除激励出来的TETE2020模，因此双脊波导的可模，因此双脊波导的可用带宽应是用带宽应是TETE1010模与模与TETE3030模之比。由图可查的模之比。由图可查的TETE3030模模的的cc3030/a
6、=0.7/a=0.79 9，从而算的，从而算的FcFc1010=11.2GHZ.=11.2GHZ.l计算结果表明该组数据只能工作到计算结果表明该组数据只能工作到12GHZ12GHZ左右，要左右，要想工作到想工作到18GHZ18GHZ必须采用扩频技术和补偿技术。必须采用扩频技术和补偿技术。四脊波导参数选择四脊波导参数选择l还应该指出的是这组数据对应脊为平顶的情况，还应该指出的是这组数据对应脊为平顶的情况，而实际的脊是削成尖顶的，这只要是为了保证而实际的脊是削成尖顶的，这只要是为了保证四脊之间的装配间隙，从而扩大了脊间的耦合四脊之间的装配间隙，从而扩大了脊间的耦合面积。面积。 l实验表明这种结构有
7、利于高次模的抑制，和高实验表明这种结构有利于高次模的抑制，和高频段的扩频。因此最终的设计数据需由仿真实频段的扩频。因此最终的设计数据需由仿真实验最后确定。验最后确定。单脊单脊 波导特性阻抗波导特性阻抗双脊波导双脊波导TETE1010模截止波长模截止波长双脊波导双脊波导TETE3030模截止波长模截止波长喇叭张开部分脊的设计喇叭张开部分脊的设计l喇叭部分的脊按指数形式逐渐张开，终端弯曲终结在喇叭部分的脊按指数形式逐渐张开，终端弯曲终结在喇叭口的侧壁上，为了保证喇叭口的侧壁上，为了保证TETE1010模的传播，喇叭在模的传播，喇叭在H H面面上的宽度必须大于最低工作频率的半个波长。这样在上的宽度必
8、须大于最低工作频率的半个波长。这样在最高工作频率上，即为几个波长，这意味着在口径上最高工作频率上，即为几个波长，这意味着在口径上会出现相当大的相位差，要想保持口径面上相位差最会出现相当大的相位差，要想保持口径面上相位差最小，要么喇叭做的特别长，要么加透镜校准，但这两小，要么喇叭做的特别长，要么加透镜校准，但这两种方法都局限性。我们采用特殊设计的脊和适当的补种方法都局限性。我们采用特殊设计的脊和适当的补偿措施，较好的解决了这个问题。偿措施，较好的解决了这个问题。l由实验确定的脊的曲线，分为由实验确定的脊的曲线，分为3 3段。一段为直线段，它段。一段为直线段，它依照一度左右的张角张开。二段是曲线按
9、照方程依照一度左右的张角张开。二段是曲线按照方程 0.008730.78765100.02xyx喇叭张开部分脊的设计喇叭张开部分脊的设计喇叭张开部分脊的设计喇叭张开部分脊的设计展开，三段是终端，它依照大角度弯曲终结在喇叭口上。展开，三段是终端，它依照大角度弯曲终结在喇叭口上。上式中的上式中的 ：X X坐标是沿着天线中心线的轴向距离，坐标是沿着天线中心线的轴向距离，Y Y坐标坐标是沿着天线的中心线到脊表面的垂直距离。是沿着天线的中心线到脊表面的垂直距离。0.02X0.02X是附加的线性变化，起着扩频补偿作用并有助于是附加的线性变化，起着扩频补偿作用并有助于低。频段驻波改善和高频段高次模的抑制。低
10、。频段驻波改善和高频段高次模的抑制。背腔的设计背腔的设计(1)背腔的设计背腔的设计(1)l天线的同轴天线的同轴脊波导的变换器与同轴脊波导的变换器与同轴普通波导的变换普通波导的变换器，在主要方面是相同的，所不同的是阻抗不同。这二器，在主要方面是相同的，所不同的是阻抗不同。这二种设计中同轴线的外导体都连接在波导的宽边上，内导种设计中同轴线的外导体都连接在波导的宽边上，内导体都延伸到波导内形成单极的辐射器，由于普通波导的体都延伸到波导内形成单极的辐射器，由于普通波导的阻抗远大于同轴线的阻抗，因而内导体必须终结在远离阻抗远大于同轴线的阻抗，因而内导体必须终结在远离波导壁的地方，以便防止失配。而脊波导的
11、阻抗与同轴波导壁的地方，以便防止失配。而脊波导的阻抗与同轴线的阻抗相一致，所以同轴线的内导体必须接在相对的线的阻抗相一致，所以同轴线的内导体必须接在相对的脊上以利匹配。脊上以利匹配。背腔的设计背腔的设计(1)l同轴脊波导的设计关键是背腔的设计，正如图中所看同轴脊波导的设计关键是背腔的设计，正如图中所看到的那样背腔是通过减少短路段脊的高度形成台阶，到的那样背腔是通过减少短路段脊的高度形成台阶，加上短路板构成腔体结构。一般选择短路段的阻抗与加上短路板构成腔体结构。一般选择短路段的阻抗与脊波导的特性阻抗之比为脊波导的特性阻抗之比为4 46 6。若取特性阻抗为。若取特性阻抗为250250欧姆，令欧姆，
12、令s/a=0.2s/a=0.2时，由单脊波导特性阻抗曲线可查时，由单脊波导特性阻抗曲线可查得，两脊之间的间距为得，两脊之间的间距为d/bd/b=0.4=0.4，当，当b=34mmb=34mm时，可求时，可求的的d=13.6mmd=13.6mm。背腔的设计背腔的设计(2) 四脊波导采用四脊波导采用2 2个端口馈电，一端口的激励探针距短个端口馈电，一端口的激励探针距短路板的距离相当于工作频段高端的路板的距离相当于工作频段高端的1/41/4波长。约波长。约4.2mm4.2mm。二端口激励探针与一端口的激励探针正交二者相距二端口激励探针与一端口的激励探针正交二者相距1.5mm1.5mm。 初始设计数据
13、确定以后，建模进行仿真，优化后确定初始设计数据确定以后，建模进行仿真，优化后确定最后的设计数据。试验中发现由于二端口探针离短路最后的设计数据。试验中发现由于二端口探针离短路板的距离比一端口远，再加上脊间的耦合影响驻波特板的距离比一端口远，再加上脊间的耦合影响驻波特性不易调好，通过试验摸索采用把脊的后端切角和在性不易调好，通过试验摸索采用把脊的后端切角和在短路板中央挖槽等办法，取得了较好的效果。短路板中央挖槽等办法，取得了较好的效果。背腔的设计背腔的设计(2)电性能测量电性能测量l我们对设计的双极化喇叭特性进行了电性能测量，天我们对设计的双极化喇叭特性进行了电性能测量，天线的驻波特性在线的驻波特
14、性在3.53.5以内。两端口之间的隔离在以内。两端口之间的隔离在2-2-12GHz12GHz频段范围内，频段范围内，20dB20dB。在。在12-18GHz12-18GHz频段范围内，频段范围内，15dB15dB。从测得的辐射图来看，。从测得的辐射图来看，15GHz15GHz以前高次模抑以前高次模抑制的比较好，制的比较好，15GHz15GHz以后逐渐存在高次模的影响。以后逐渐存在高次模的影响。l对高次模的抑制采取了对高次模的抑制采取了3项措施：项措施：1、是增加脊间耦合。、是增加脊间耦合。2、是在脊上附加线性变化。、是在脊上附加线性变化。3、是背腔设计。、是背腔设计。 （1 1端口）端口） 端口间的隔离特性端口间的隔离特性1 1端口辐射图端口辐射图(1)(1)1 1端口辐射图端口辐射图(2)(2)1 1端口辐射图端口辐射图(3)(3)1 1端口辐射图端口辐射图(4)(4)1 1端口辐射图端口辐射图(5)(5)2 2端口辐射图端口辐射图(1)(1)2 2端口辐射图端口辐射图(2)(2)2 2端口辐射图端口辐射图(3)(3)2 2端口辐射图端口辐射图(4)(4) 开放边界双极化喇叭天线开放边界双极化喇叭天线
