一种低副瓣波纹喇叭天线的设计与实现

常兴华

（92941部队，辽宁葫芦岛125003）

圆锥喇叭既可以独立当作天线使用，又可以作为卫星通信和射电望远镜的馈源[1-2]。当作为独立天线使用时，利用其宽频带、低副瓣、结构简单等优点，可以用于测量校准其他天线[3-4]。当作为反射面天线馈源使用时，馈源的性能直接影响整体反射面天线的技术指标。因此，要求馈源具有稳定的相位中心、对称的初级方向图和低的副瓣，用以提高增益、降低交叉极化和副瓣[5-7]。

在天线设计过程中，通常通过在喇叭天线壁上设计波纹[8]，防止表面电流从边缘流动得到外部形成衍射，从而改善方向图，减小交叉极化[9-10]。

圆波导喇叭的轴对称性使其能够处理任何极化激励，包括圆极化。为了得到线极化，可以使用单个同轴探针或波导馈电[11-13]。

圆锥波纹喇叭天线具有旋转对称的机械结构。通过正交方式进行馈电，可形成并馈双极化或圆极化天线[14-15]。

在车载通信系统中，为缩减天线体积，减小旁瓣干扰，须要增益高、副瓣低的喇叭天线作为车载通信天线的馈源。本文提出了一种采用高斯分布的波纹喇叭馈源设计方案，其孔径内部张角较小，具有较高的增益和辐射效率，交叉极化电平低，且相位中心不随频率变化。

1 波纹喇叭天线的结构与原理

天线由圆波导管、喉部、模式转换器和高斯分布的纹波槽构成的辐射器所组成[16]。

喉部为光滑波导，线性过渡到转换器。其中，转换器部分中的波纹槽从最大频率处的大约1/2波长的初始值到中心频率处的1/4波长的深度逐渐减小。模式转换器后面跟着一个直线相位部分，然后馈送到高斯轮廓部分。超出模式转换器的槽深度都是相同的深度。设计的槽和脊的宽度比恒定在4 ∶1。在最大频率处具有1/4 的节距（槽宽+脊宽）。天线组成结构如图1所示。

图1所示为锥形过渡和模式转换器的波纹槽。T表示脊宽；W 表示槽宽；H 表示槽深；R 表示模式转换与轴向夹角；P=T+W ，表示槽距；a0是根据增益确定的喇叭辐射口面直径。

图1 高斯波纹喇叭结构图Fig.1 Structure diagram of Gaussian corrugated horn

为了保证喇叭天线整体结构紧凑，在喇叭输入端增加双极化同轴波导转换器，用于馈电[17]。

同轴正交馈电结合了波导同轴适配器和OMT（正交模变换器）综合设计方法。端口1、端口2、短路面、隔离针结构图如图2所示。

输入圆波导半径的选择，应该避免激发高次模，带来回波损耗突变和辐射方向图变形。设计时，须要根据工作频率要求进行选择[18]。

短路面与端口之间距离小于λ/4，50 Ω 同轴输入，探针长于波导内壁表面约λ/8；隔离针主要用于提高端口1和端口2之间的隔离度和匹配。

图2 同轴波导馈电结构图Fig.2 Structure diagram of coaxial waveguide feed

2 天线参数设计与建模

波纹喇叭设计过程如图3 所示。首先，根据设计指标（频率、增益和旁瓣）确定天线的模式和波纹槽的形式；然后，设计喉部、模式转换器和辐射器的具体结构参数（如圆波导直径、转换槽数量、孔径张角等）；随后，用仿真软件进行天线方向图仿真和具体指标计算，如果不满足指标，则返回进行相关结构参数的优化，直到满足要求后进行结果的输出。

图3 波纹喇叭天线设计流程框图Fig.3 Block diagram of corrugated horn antenna design process

按照前述设计方法，进行了波纹喇叭天线设计：具体指标为工作频率34～36 GHz，增益20 dBi，旁瓣小于-23 dB。

根据前述设计步骤，可以计算各参数如下：T=0.35 mm ，W=1.5 mm ，H=1.65 mm ，R=25°。高斯分布槽数为18 个，模式转换器槽数11 个。天线辐射口径D=40 mm，输入圆波导直径为6 mm。

3 仿真和测试结果

根据上述参数，使用CST STUDIO SUITE 2018三维全波电磁场仿真软件天线工作室模块建立的喇叭仿真模型如图4 所示。仿真频率设置范围为31～38 GHz ，尺寸单位为mm ，频率分别为34 GHz 、35 GHz、35.5 GHz、36 GHz。模型建立和仿真使用直角坐标系，如图4 所示。天线轴向线和相对坐标系中W(Z)轴一致，辐射边界如图5所示。不设置对称面，网格设置为20/λ（λ 为中心频率波长）。使用T（时域）求解器计算仿真结果如图6、7所示。

从仿真结果可以看出，天线增益和方向图满足设计要求，方向图E面、H面的对称性相差1°左右，第一副瓣随着频率的升高而变差。这是高斯辐射面和模式转换器过度紧凑的结构带来的不利结果，即由于高阶模式的激励，使得旁瓣抬高。

图4 仿真模型Fig.4 Simulation model

图5 CST辐射边界设置Fig.5 CST Radiation Boundary Setting

图6 喇叭天线H面方向图Fig.6 H-plane pattern of horn antenna

图7 喇叭天线E面方向图Fig.7 E-plane pattern of horn antenna

根据前述仿真模型加工的实物如图8 所示，对其进行性能测试。测试在微波远场暗室进行，测试设备为网分8 722 D，驻波如图9 所示，方向图如图10 所示，测试数据如表1所示。

图8 喇叭实物照片Fig.8 Photograph of the fabricated horn

图9 驻波比测试结果Fig.9 VSWR measured results

图10 喇叭测试方向图Fig.10 Horn measured pattern

表1 喇叭测试增益Tab.1 Horn measured gain

测试结果表明，实测结果与仿真结果符合较好。天线驻波比在全工作带宽内小于1.5。方向图在主瓣的E 面和H 面具有良好对称性，远区副瓣的不对称是馈电波导和模式变换部分同轴度超出了公差要求，导致高次模激励造成的。

4 结论

本文介绍了一种低副瓣波纹喇叭天线的设计，根据上述方法设计了一款Ka 波段波纹喇叭。实测表明，根据上述方法设计的喇叭天线具有指标优异、结构小巧紧凑的特点，适合便携式通信设备应用，设计成果已经成功用于某型实际装备中。