JOURNAL OF COMMUNICATION UNIVERSITY OF CHINA （SCIENCE AND TECHNOLOGY ）
中国传媒大学学报（自然科学版）
第26卷，第2期Vol 26，No 22019年4月
Apr ，2019
张荣蜀１ꎬ逯贵祯１ꎬ殷红成２ꎬ白杨１
(１.中国传媒大学ꎬ北京１０００２４ꎻ２.北京环境特性研究所ꎬ北京１００８５４)
摘要：设计了一种Ｃ波段的波纹喇叭天线ꎬ对天线的波纹进行了优化ꎬ使其在设计频段内ꎬ在相对于线极化矢量成４５ʎ角的平面上有着较低的交叉极化ꎮ利用ｃｓｔ仿真分析其性能并加工实物进行测量ꎬ结果显示：其在设计频段内交叉极化水平低于－３０ｄＢꎮ 关键词：波纹喇叭天线ꎻ交叉极化ꎻ宽频带ꎻ天线优化ꎻ天线测量
中图分类号:ＴＮ９２㊀文献标识码:Ａ㊀文章编号:１６７３－４７９３(２０１９)０２－００３９－０４
ＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｒｒｕｇａｔｅｄＨｏｒｎｗｉｔｈＬｏｗＣｒｏｓｓ－Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ
ＺＨＡＮＧＲｏｎｇ￣ｓｈｕ１ꎬＬＵＧｕｉ￣ｚｈｅｎ１ꎬＹＩＮＨｏｎｇ￣ｃｈｅｎｇ２ꎬＢＡＩＹａｎｇ１
(１.ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００２４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓꎬＢｅｉｊｉｎｇ１００８５４ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＡｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｈｏｒｎａｎｔｅｎｎａｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍｉｃｒｏｗａｖｅＣｂａｎｄｒｅｇｉｏｎ.Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｈｏｒｎｈａｓｂｅｅｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｏｔｈａｔｔｈｅｃｒｏｓｓ－ｐｏｌａｒｌｅｖｅｌｉｎｔｈｅ４５ʎｐｌａｎｅｒｅｌａｔｉｖｅｔｏｔｈｅｌｉｎｅａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｆｉｅｌｄｖｅｃｔｏｒｉｓｍｉｎｉｍｉｚｅｄ.Ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｈｏｒｎａｎｔｅｎｎａｈａｓｂｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄ
ａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｈｏｗｔｈａｔｃｒｏｓｓ－ｐｏｌａｒｌｅｖｅｌｓａｒｅｂｅｌｏｗ－３０ｄＢ
ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｎｄｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｈｏｒｎꎻｃｒｏｓｓ－ｐｏｌａｒｌｅｖｅｌꎻｗｉｄｅｂａｎｄꎻａｎｔｅｎｎａｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎꎻａｎｔｅｎｎａｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
１㊀引言
馈电喇叭天线被广泛应用于微波遥感㊁卫星以及广播通信等领域ꎬ它有着低交叉极化特性㊁高增益㊁宽频带以及对称的辐射特性等特点ꎮ尤其是交叉极化特性决定了天线的有用带宽ꎬ而有用带宽则决定了所有辐射参数能满足性能要求的频段ꎮ通过使用两个正交的极化ꎬ可以充分利用有限的频段ꎮ
ＨｉｒｏｙｕｋｉＤｅｇｕｃｈｉ提出了一种新型的墙壁结构
的且包含有曲线轮廓的喇叭天线ꎬ并研究了口径场幅度的影响ꎬ其对测量的精度要求较高[１]ꎮＪｏｒｇｅ
Ｔｅｎｉｅｎｔｅ设计了一种宽频带波纹喇叭天线ꎬ其带宽为９－１６ＧＨｚꎬ但随着频率提高ꎬ其副瓣变大[２]ꎮＳａ￣
ｊｉｄＭｕｈａｉｍｉｎＣｈｏｕｄｈｕｒｙ设计了Ｘ波段的口径匹配喇叭天线ꎬ从理论上分析了其
共极化和交叉极化分量ꎬ但加工难度较大[３]ꎮＫＢＰａｒｉｋｈ针对非对称正弦轮廓喇叭天线进行参数分析ꎬ给出了具体的设计[４]ꎮＪｏｓｈｕａＭＫｏｖｉｔｚ对紧凑型曲线轮廓的喇叭天线进行了优化从而获得了较高的增益但波束宽度角窄[５]ꎮＪｏｒｇｅＴｅｎｉｅｎｔｅ给出了设计包含水平波纹和垂直波纹的喇叭天线的指导性建议[６]ꎮＨａａｓＡｌｅｘａｎｄｅｒ[７]等人设计了一种用于雷达领域的波纹喇叭天线ꎬ其Ｅ面和Ｈ面波束宽度相近ꎮＵＳｃｈｗｅｒｔｈｏｅｆｆｅｒ[８]提出一种基收稿日期:２０１８－１０－１８
作者简介：张荣蜀(１９９１－)ꎬ男(汉族)ꎬ江苏南京人ꎬ中国传媒大学博士研究生.Ｅ￣ｍａｉｌ:１０５５４０４７７２＠ｑｑ.ｃｏｍ
中国传媒大学学报（自然科学版）第26卷
ddtsf于高斯波束的高性能波纹喇叭天线的设计方法ꎬ其相对带宽能到达４０％ꎮＮｉｒａｊＴｅｖａｒ对比了不同的波纹喇叭天线设计ꎬ研究了高斯轮廓的波纹喇叭天线性能[９]ꎮ
本文设计优化了一种频段为６－９ＧＨｚ的波纹
喇叭天线ꎬ并进行仿真及实物加工ꎮ仿真以及实际测量的结果显示ꎬ其在目标频段内ꎬ在φ＝４５ʎ时有着较低的交叉极化ꎮ
２㊀天线设计
对于锥形喇叭天线ꎬ为了得到具有高纯极化分量的喇叭天线ꎬ通常采用一定的几何结构将ＴＥ１１和ＴＭ１１的圆波导模式进行混合ꎬ得到具有纯极化的场分布混合模式Ｈ１１ꎬ如图１所示ꎮ
图１㊀圆波导天线模式工作原理
获取混合模式Ｈ１１的天线几何结构有许多不同
的实现方式ꎬ有些通过改变喇叭天线轮廓ꎬ有些通过引入沟槽ꎮ考虑到加工误差对天线性能的影响ꎬ本文采用垂直与水平沟槽组合的方法实现具有低交叉极化分量的喇叭天线
ꎮ
图２㊀高性能天线设计原理
该天线对于加工误差具有较好的容忍度ꎬ同时具有很好的极化特性ꎮ
天线设计如图２所示ꎬ分为垂直部分和水平部分ꎮ其中Ｒｉ代表内径ꎬｐＨꎬｐＶ分别是水平波纹和垂直波纹的周期宽度ꎬｔＶꎬｔＨ是皱状齿宽度ꎬｄＶ和
ｄＨ是波纹槽深度ꎮ为了得到更低的交叉极化水平ꎬｐＨ的值一般取λｆｍａｘ/８到λｆｍａｘ/５之间ꎮ水平波纹槽深度ｄＨ为λｆｍｉｎ/４到λｆｍｉｎ/３ꎬ对于垂直波纹ꎬｐＶ的取值范围通常是λｆｍａｘ/５到λｆｍａｘ/３ꎬｄＶ通常在λｆｍｉｍ/５到λｆｍｉｎ/３之间ꎮ通常情况下ꎬ水平槽深度ｄＨ要大于垂直槽深度ｄＶꎮ本文采用ｐＨ＝６.３ｍｍꎬ
Ｒｉ＝３８.１ｍｍꎬＤ＝６７ｍｍꎬＬ＝１０８ｍｍꎮ无线轮廓见图３ꎬ具体设计参数见表
１ꎮ
图３㊀波纹喇叭天线轮廓
表１㊀天线具体设计参数
ＶａｒｉａｂｌｅＶａｌｕｅ
Ｒｉ
０.３８１λｆｍｉｎｄＨ０.３１λｆｍｉｎｔＨ０.４５ｐＨｄＶ０.２７４λｆｍｉｎｔＶ０.５ｐＶ高增益天线
ＬＨ５６.２ｍｍ
ＲＨ０.８４λｆｍｉｎ
ｐＶ０.２５８λｆｍａｘｐＨ
０.１８９λｆｍａｘ
喇叭天线的激励模式为ＴＥ１１模式ꎬ该模式下辐
射远场可表示为:
Ｅθ＝Ａ１１
ｒ１/２
ｓｉｎθ
Ｊ１(ｖθ)ｓｉｎφＨ(２)ｙ(ｋｒ)Ｅφ＝
Ａ１１
ｒ１/２
ｓｉｎθ
Ｊᶄ１(ｖθ)ｃｏｓφＨ(２)ｙ(ｋｒ)(１)
其中Ｈ(２)ｙ
是二阶的Ｈａｎｋｅｌ函数ꎬＪ１是一阶贝塞尔函数ꎬｖ＝
ｐᶄ１１
α０
ꎬ根据Ｌｕｄｗｉｇ第三定义ꎬ共极化和０
４
第2期张荣蜀等：低交叉极化波纹喇叭天线设计
交叉极化分量的电场为:
dvd机芯Ｅｃｏ
Ｅｃｒ
[]＝
ｓｉｎϕ㊀ｃｏｓϕ
ｃｏｓϕ－ｓｉｎϕ[]Ｅθ
Ｅφ
[]
(２)
其中Ｅｃｏ和Ｅｃｒ分别表示共极化分量和交叉极化分量ꎬ通过上式ꎬ可获得天线的交叉极化特性ꎮ
３㊀测量与仿真
首先利用ＣＳＴ对上文设计的天线进行仿真并加工实物进行测试ꎮ图４是波纹喇叭天线的天线驻波比ꎬ在６－９ＧＨｚ范围内ꎬ低于１.５ꎮ图５㊁图６显示
的是频率ｆ＝６ＧＨｚ和８ＧＨｚ时ꎬ仿真与实测进行归
一化后的结果ꎬ其中ＣＯＭ㊁ＣＲＭ分别是喇叭天线共极化分量和交叉极化分量的测量值ꎬＣＯＳ㊁ＣＲＳ分别是喇叭天线共极化分量和交叉极化分量的仿真结果ꎮ
由图５㊁图６可知ꎬ在预期频段内ꎬ波纹喇叭天线的仿真结果与实测结果较为符合ꎮ其中在６ＧＨｚ时ꎬ在０ʎ<θ<２５ʎ范围内ꎬ天线的交叉极化水平低于－３０ｄＢꎮ频率ｆ＝８ＧＨｚ时ꎬ测试值要好于仿真结果ꎬ能保证在０ʎ<θ<２５ʎ范围内ꎬ天线的交叉极化水平低于－SSL检测
２５ｄＢꎮ
图４㊀低交叉极化喇叭天线输入驻波比
图５㊀ｆ＝６ＧＨｚ时ꎬ喇叭天线的共极化分量和
交叉极化分量的仿真与实测结果
４㊀结论
针对６－９ＧＨｚ
频段的波纹喇叭天线进行了设
图６㊀ｆ＝８ＧＨｚ时ꎬ喇叭天线的共极化分量和
交叉极化分量的仿真与实测结果
计与优化ꎬ仿真与实测结果显示ꎬ该天线在ϕ＝４５ʎ时能提供较低的交叉极化特性ꎬ且在相对较宽的频带中ꎬ也能保持较低的交叉极化水平ꎮ
１
４
中国传媒大学学报（自然科学版）第26卷
压缩木耳>发动机摇臂
参考文献
[１]ＨｉｒｏｙｕｋｉＤｅｇｕｃｈｉꎬＨｉｒｏａｋｉＷａｔａｎａｂｅꎬＭｉｋｉｏＴｓｕｊｉ.ＣｏｍｐａｃｔＳｐｌｉｎｅ－ＰｒｏｆｉｌｅＨｏｒｎｗｉｔｈＣｏａｘｉａｌＣａｖｉ￣ｔｉｅｓｆｏｒＷｉｄｅｂａｎｄＵｓｅ[Ｃ].ＭｉｃｒｏｗａｖｅＣｏｎｆｅｒ￣ｅｎｃｅꎬＭａｎｃｈｅｓｔｅｒꎬＵＫꎬ２００６:６３４－６３５. [２]ＪｏｒｇｅＴｅｎｉｅｎｔｅꎬＲａｍóｎＧｏｎｚａｌｏꎬＣａｒｌｏｓｄｅｌ－Ｒíｏ.Ｕｌｔｒａ－ＷｉｄｅＢａｎｄＣｏｒｒｕｇａｔｅｄＧａｕｓｓｉａｎＰｒｏｆｉｌｅｄＨｏｒｎＡｎｔｅｎｎａＤｅｓｉｇｎ[Ｊ].ＩＥＥＥＭｉｃｒｏｗａｖｅａｎｄＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓＬｅｔｔｅｒｓꎬ２００２ꎬ１２(１):０－２１.
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ａꎬ２０１２.
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ｎａＡｓｓｅｍｂｌｙＯｐｔｉｍｉｚｅｄｆｏｒＤｅｐｌｏｙａｂｌｅＫａ－ＢａｎｄＯｆｆｓｅｔＲｅｆｌｅｃｔｏｒＡｎｔｅｎｎａｓｉｎＣｕｂｅＳａｔｓ[Ｃ].Ａｎｔｅｎ￣ｎａｓａｎｄＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ(ＡＰＳＵＲＳＩ)ꎬＦａｊａｒｄｏꎬＰｕｅｒｔｏＲｉｃｏꎬ２０１６:１５３５－１５３６.
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ｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＫａ－ＢａｎｄＣｏｒｒｕｇａｔｅｄＦｅｅｄＨｏｒｎｆｏｒＲｅｆｌｅｃｔｏｒＡｎ￣ｔｅｎｎａｓ[Ｃ].ＩＥＥＥＡｎｔｅｎｎａｓａｎｄＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＳｏｃｉｅ￣ｔｙＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍꎬＯｒｌａｎｄｏꎬＦＬꎬＵＳＡꎬ２０１３:３９６－３９７.
[９]ＮｉｒａｊＴｅｖａｒꎬＰｒａｒｔｈａｎＭｅｈｔａ.ＡＲｅｖｉｅｗＰａｐｅｒｏｎＣｏｎｉｃａｌＣｏｒｒｕｇａｔｅｄＨｏｒｎＡｎｔｅｎｎａ[Ｃ].ＩＥＥＥＷｉＳＰＮＥＴＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬＣｈｅｎｎａｉꎬＩｎｄｉａꎬ２０１６:８８９－８９２.
(责任编辑：王谦)
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