X频段介质加载圆极化喇叭天线设计_罗永愿.pdf

DOI:1020079/jissn1001893x211111001引用格式:罗永愿，彭麟，廖欣X 频段介质加载圆极化喇叭天线设计 J电讯技术，2023，63(2):275280 LUO Y Y，PENG L，LIAO XDesign ofan X-band dielectric loaded circular polarization horn antennaJTelecommunication Engineering，2023，63(2):275280X 频段介质加载圆极化喇叭天线设计*罗永愿，彭麟，廖欣罗永愿，彭麟，廖欣(桂林电子科技大学 广西高校微波光波应用技术重点实验室，广西 桂林 541004)摘要:设计了一款基于全介质极化器的 X 频段圆极化喇叭天线。该全介质极化器加载在线极化喇叭天线的前端，将线极化波转换为圆极化波，并有效辐射出去。同时，该全介质极化器还将天线的实测增益提高了约2 dB。天线的测试结果与仿真结果吻合较好。该天线在 X 频段(812 GHz)的实测 S11均小于10 dB，实测轴比在 X 频段内均小于3 dB，表明该圆极化喇叭天线具有宽带高增益特性。并且，该全介质极化器使用 3D 打印技术制作，具有加工简便、成本低的优点。该天线可应用于雷达、跟踪制导、卫星通信系统等领域。关键词:X 频段喇叭天线;介质加载;宽带圆极化;3D 打印开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流享本刊专属服务中图分类号:TN823文献标志码:A文章编号:1001893X(2023)02027506Design of an X-band Dielectric Loaded CircularPolarization Horn AntennaLUO Yongyuan，PENG Lin，LIAO Xin(Key Laboratory of Microwave and Optical Wave Application Technology，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China)Abstract:An X-band circular polarized horn antenna based on all-dielectric polarizer is designedThe all-dielectric polarizer is loaded at the front end of the linear polarization horn antenna，which will convertlinearly polarized waves into circular polarized waves to effectively radiate the power Meanwhile，themeasured gain stability of the antenna is improved by about 2 dB by the all-dielectric polarizerThe antennameasurement results are in good agreement with the simulation onesThe measured S11of the antenna in theX-band(812 GHz)is less than 10 dB，and the measured axial ratio is less than 3 dB in the X-bandTheresults show that the circular polarization horn antenna has the characteristics of broad band and high gainIn addition，the all-dielectric polarizer is made by 3D printing technology，which has the advantages ofsimple processing and low costThe antenna can be applied in such field as radar，tracking guidance，satellite communication systemKey words:X-band horn antenna;dielectric loaded;broad band circular polarization;3D printing0引言由于圆极化喇叭天线具有宽频带和稳定高增益的性能，以及可以缓解极化失配的问题，在雷达、卫星通信等领域被广泛应用1。设计圆极化喇叭天线有多种方式，一种最直接的方式是使用双端口进行激励2，使之产生互相垂572第 63 卷 第 2 期2023 年 2 月电讯技术Telecommunication EngineeringVol63，No2February，2023*收稿日期:20211111;修回日期:20220105基金项目:广西自然科学基金项目(2021JJA170177)通信作者:彭麟直、相位差为 90的两个线极化波合成圆极化波，但是，使用两个馈电端口增加了结构的复杂性。为了避开多馈法来实现圆极化，有的学者使用单馈法来实现圆极化。文献 3 中研制了一款宽带电子对抗(Electronic Countermeasure，EMC)喇叭天线，天线由主路、侧路、过渡波导、移相器以及辐射器组成，实现818 GHz频段内轴比小于4 dB的圆极化喇叭天线，但结构较为复杂。文献 4中研究了一款 W 频段槽壁圆极化喇叭天线，天线由4 段结构构成，在 W-10 标准矩形波导段挖出一对凹槽，连接到前端构成总长度为3249 mm的圆极化喇叭天线，结构也较为复杂。文献 5 中研发了一款双脊扭转圆极化喇叭天线，在圆波导喇叭基础上构造出双脊扭转形状，满足形成圆极化的要求，实现了 743128 GHz 频段的圆极化喇叭天线。还有一种实现圆极化喇叭天线的方案是加载特定的结构。文献 6 在喇叭口面上加载由三层结构构成的线圆极化转换器，实现了在96117 GHz相对带宽仅为 197%的圆极化喇叭天线。文献 7 在矩形喇叭基础上加载 SSPP 波导结构组成圆极化喇叭天线，在频段 87113 GHz的轴比小于3 dB，相对带宽约为 26%。在文献 8 中，作者在喇叭天线上加载挖缝介质，实现了在 56 77 GHz频带内轴比小于3 dB的高增益圆极化矩形喇叭天线，最大增益达到17 dBic。X 频段圆极化天线广泛用于火控雷达、跟踪制导等领域。文献 9提出了一种 X 频段雷达干扰机圆极化天线设计，天线阻 抗 带 宽 8 75 1065 GHz，同 时 轴 比 也 小于3 dB。以上文献都是圆极化喇叭天线，有的是由不同段组合，模型结构复杂，加工难度较大;有的是加载极化转化超表面，但是要设计单元结构进行组阵，而这类超表面结构可能因透射率小等缺点导致极化转化率不高。加载介质线圆极化偏转器结构简单，易于加工，更易于加载在喇叭口面或者其他位置上，是一种简单的实现方式。其既能实现圆极化，也能提高天线增益，且成本低。但前述现有加载介质的圆极化喇叭天线增益并不高，轴比带宽也比较窄。因此，研究一款加载介质的高增益宽带的圆极化喇叭天线是很有意义的。为此，本文设计了一款可用 3D 打印技术制作的线圆极化介质转化器。该介质极化器加工简单，成本低，可以满足在较宽频段内实现良好的极化转换。仿真与实测的增益/轴比曲线基本吻合，轴比曲线在整个工作频段内均小于3 dB，圆极化性能良好，S11小于10 dB，匹配效果良好。该天线加载介质后增益稳定提高2 dB左右，交叉极化电平小于20 dB，既实现喇叭天线的线极化转化为圆极化的功能，也能稳定提高天线的增益，方向图在工作频段内不分裂，具有良好的辐射性能。该介质加载圆极化喇叭天线工作在 X 频段，具有宽带高增益性能，可以应用在广播卫星、固定通信业务卫星、地球探测卫星和气象卫星以及雷达探测等无线通信系统中。1全介质极化器的设计与分析本文设计的全介质极化器模型如图 1 所示。图 1(a)中，线极化馈源喇叭天线放置在介质极化器的下端;极化器俯视图如图 1(b)所示(a1和 b1为喇叭口径尺寸)，矩形介质块中由宽度为 W2的缝隙和绿色部分的介质珊条组成，其介电常数为 272，宽度为 W1。图 1天线模型介质极化器的作用是把线极化波转化为圆极化波，当喇叭天线的线极化入射电场 E 通过介质极化器时，会分解为两个正交的电场 Ex和 Ey。由于沿Ex和 Ey方向的等效介电常数不同，可以写为10 x=1W1+2W2。(1)式中:x为 Ex方向的等效介电常数;1和 2分别为空气的相对介电常数和介质的相对介电常数。Ey方向的等效介电常数可以写为y=122W1+1W2。(2)由式(1)和式(2)可以得到，Ex方向的介电常数比 Ey的介电常数大，x 方向的传播速度比 y 方向的传播速度慢。一般情况下，相对介电常数为 r的材料中，电场的相位常数(或波数 k)为=k=00r=2fcr。(3)式中:f 是频率;c 是电磁波在真空中的速度。因此，672wwwteleonlinecn电讯技术2023 年Ex和 Ey两个方向上的相位差为=H=(xy)H=2fHcxy()，(4)x和 y分别是 Ex和 Ey方向上的相位常数。圆极化波可分解为两个正交且等幅的线极化波，且两线极化波的相位差为90。由式(1)、式(2)和式(4)可知，当空气的相对介电常数和介质的相对介电常数已确定，若要 Ex和 Ey合成圆极化波，可以通过调节W1和 W2的宽度以及介质的厚度 H 实现。本文设计的介质极化器不仅能实现宽频带内的极化转换，还能提高天线的增益。如图 2 所示，当喇叭天线所辐射的电磁波通过介质极化器时，会沿着路径 1、路径 2、路径 3 的三个不同路径传播11。路径 1 为波从极化器底部斜入射进入极化器，并从极化器的四周表面辐射出来，且波往轴线方向汇聚;路径 2 亦为斜入射进入极化器，并从顶面出射;路径 3为波垂直入射极化器。根据斯涅尔(Snell)定律，当31，可以看到路径 1 对入射波有汇聚的效果，起到提高增益的作用。在路径 2 和路径 3 中，入射波与折射波之间的角度没有变化(即 2=4)。因此，来自路径 2 和路径 3 的路径不会对极化器产生电磁波聚焦效应，所以路径 1 使得所提出的介质极化器加载的喇叭天线的增益能够提高。图 2电磁波通过极化器的传播路径2天线仿真设计与实测21喇叭天线设计图 3 所示为所设计的喇叭天线模型，喇叭天线的波导尺寸 ab=2286 mm1016 mm，主模的工作频率范围为82125 GHz，截止频率为657 GHz;喇叭的总体长度为 L=5657 mm;底坐为了接标准波导而设计了 4 个螺纹孔。喇叭天线以及底座视图如图 3 所示。图 3喇叭天线模型尺寸与底座视图所设计的喇叭天线的预期增益为14 dBi，选择最佳设计频点为10 GHz，口径效率大约为 51%，根据最佳喇叭天线公式计算12:A=045G，(5)G=05142AB。(6)式(5)和式(6)中的 A、B 为喇叭口面的尺寸，即分别为图 3 标注中的 a1和 b1，计算得到的尺寸 a1=6923 mm，b1=5071 mm。22仿真分析由于所设计的喇叭天线辐射线极化波，为能实现线圆极化转换的同时也能提高天线的增益，设计如图 1 所示的介质极化器，并将其加载在喇叭天线的口面上。仿真整体模型如图 4 所示，该圆极化喇叭天线由介质极化器、BJ100 国家标准波导和所设计的角锥喇叭组成，介质极化器采用 3D 打印技术进行加工。为使极化器稳固在喇叭上，采用相同介质的固定套口套在喇叭上，并使用介质螺纹钉固定。同时，为防止加载介质造成的部分反射，影响天线的匹配，设计了与极化器