馈源喇叭天线的研究
宽带、双极化四脊喇叭馈源研究
宽带、双极化四脊喇叭馈源研究高喜;李思敏;刘扬清;于新华;姜彦南【摘要】研制了一种用于抛物面天线馈源的高性能宽带、双极化四脊喇叭天线.利用三维全波电磁场仿真(Computer Simulation Technology,CST)软件分析了喇叭天线中后腔的形状和结构参数以及馈电探针位置对天线驻波比的影响,对天线的整体结构参数进行了优化,并对其进行加工测试.模拟和实验测试结果表明:采用渐变后腔,并取合适的结构参数和馈电探针位置,馈源天线能得到最佳驻波比,在4～12GHz 的工作频带范围内小于2、-12 dB的边缘照射角大于90°,馈源的其它电性能参数符合设计要求.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2013(028)002【总页数】4页(P337-340)【关键词】双极化;喇叭天线;驻波比【作者】高喜;李思敏;刘扬清;于新华;姜彦南【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004;桂林安德立通信技术有限公司,广西桂林541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TN82引言随着电子对抗以及电子侦察技术的发展，要求天线具有宽频带、极化可变等特性.抛物面天线在雷达系统中经常被用作收发天线，而高性能的宽频带馈源系统的设计，能够有效改善抛物面天线的工作性能，并实现天线小型化，从而实现整个雷达系统的小型化，增加其隐蔽性.但是，对于反射面天线而言，要设计具有高增益、低副瓣、宽频带，同时要满足主天线两个主平面的边缘照射电平等综合电特性的馈源，具有相当的难度.喇叭天线具有结构简单、易于加工、方向图好、增益高等优点，因此,被广泛用于抛物面天线的馈源.在喇叭天线中采用脊加载方法能极大扩展喇叭天线的工作带宽.如果采用四脊加载，即四脊喇叭，还能够实现双极化要求.因此，采用脊加载喇叭天线作为抛物面天线的馈源具有较大的优越性[1].本文设计了一种具有渐变后腔的4～12 GHz高性能四脊双极化喇叭馈源天线，对脊波导段、喇叭段、后腔以及探针位置对天线辐射特性的影响进行了分析并对参数进行了优化.结果表明，所设计的馈源在整个工作频段内具有低副瓣、高增益特性，在低频端两个主平面的-12dB的边缘照射角大于110°，高频端两主平面的-12 dB的边缘照射角均大于60°.1 基本理论对四脊喇叭天线，当只在某一极化端口激励时，与该极化方向正交的那对脊对天线性能的影响极小，也就是说相互正交的两端口之间的隔离度很好.因此在设计本喇叭天线时，首先设计方形双脊喇叭，得到优化的喇叭以及脊的结构参数，将设计好的双脊复制到喇叭天线的另外两壁上，形成四脊喇叭天线[2].而双脊喇叭天线分为双脊波导、脊加载的喇叭段以及后腔三部分，具体结构如图1所示.在矩形波导中加载膜片能够以几倍量级增加H10模的截止波长，同时H30模式的截止波长降低，从而大大拓宽了其工作频带.对脊波导参数的选择是确保脊加载喇叭天线在整个工作频带范围内单模工作的关键.图1 喇叭天线的纵截面结构为了与同轴线阻抗匹配，假定所设计的脊波导中H10模的特征阻抗ZTE10=50 Ω，根据文献[3]中的方法，选取s/a1=0.2, d/b=0.1.其中s为脊宽，d为脊间距，a1、b为波导的宽和高(这里a1=b).令TE10模的截止频率fTE10=2 GHz (低于天线工作频率的下边频)，得到脊波导的参数为：s=4.2 mm，d=2.1 mm，a1=b=21 mm.在脊喇叭段，脊曲线采用指数曲线形式[4]为y(z)=A1eB1z+C1z ，(1)式中： 0<z<L，z为喇叭中轴线坐标； A1,B1,C1为待定系数，取值分别为：为喇叭的口径.式(1)中线性项C1z能有效缩短天线的轴向长度L，喇叭口径a的取值大于天线最低工作频率的半个波长，L和a的具体取值根据所设计天线电参数的要求进行优化.为了降低驻波，天线的后腔采用渐变腔，以代替通常使用的方形腔，如图1所示，而且脊波导中的脊嵌入在渐变腔内.在这些设计基础上，将设计好的脊复制到喇叭的另外两个光滑壁上，即得到四脊喇叭天线的模型，图2为四壁喇叭天线中脊波导段的横截面结构.图2 方形四脊波导横截面结构2 模拟分析在得到四脊喇叭天线模型的基本参数基础上，利用CST电磁仿真软件对天线的辐射性能进行模拟分析，并对天线的整体结构参数进行优化.由于天线两对脊间的间距较小，而脊又具有一定的厚度，为了使脊不互相接触，对脊的边沿采用45°倒角处理.方向图是天线一个重要的设计指标，通过模拟发现，与普通喇叭天线一样，四脊喇叭天线的方向图和增益主要受喇叭段长度L和喇叭口径面尺寸a的影响：3 dB波束宽度随L和a的增加而减少；增益随L的增加而增加.根据天线增益和波束宽度的要求对L和a进行优化.另一方面，脊间距d、脊宽度s以及脊边沿倒角的角度对天线辐射性能的影响在文献[5]中有详细论述，因此对这一工作的分析在此不再赘述.为了分析天线后腔对天线驻波比的影响，在其他参数一定的情况下，对后腔为矩形结构以及渐变结构进行了对比研究，结果如图3所示.图中显示，当后腔为矩形结构时，天线在工作频段内的驻波比最大值为2.8,而当后腔为渐变腔时，驻波比得到了很大程度的改善，最大驻波比为1.8.因此，采用渐变的后腔结构能有效降低天线的驻波比.图3 不同背腔结构对应的驻波比天线由两个正交且错开的探针馈电，以得到两个不同的极化方向的辐射特性.为了提高天线两个端口驻波比的一致性，采用特制的馈电探针，探针直径φ=0.7 mm，同时将两探针的间距设置尽量小[6].为了研究探针伸入脊波导内部的位置对驻波比的影响，在固定天线其他结构参数情况下模拟了不同探针位置对应的驻波比，结果如图4所示，图中d0表示探针到一对脊中另一膜片端面的距离(见图2).从图4可以看出，天线的驻波比随d0的减少而降低，尤其在低频段，驻波比降低更为迅速，当d0=0 mm，也就是说探针完全伸入到一对脊中另一膜片内部时，天线的驻波比达到最优值，在整个工作频带范围内小于2.究其原因，同轴线的内导体通过第一个脊的腔体，连到第二个脊上形成短路，此时内导体在波导腔中可看作单极子辐射器，同时脊波导的阻抗与同轴线阻抗基本一致，形成良好的阻抗匹配，使输入驻波比得到很大程度的改善.图5为不同频率下天线的远场辐射图.可以看出，该天线具有较好的方向图特性，在整个工作频段增益处于10～13 dB之间.同时，馈源的两个主平面(E面及H面)的-12 dB波瓣宽度在低频端(4 GHz)大于110°，随着频率的升高，波瓣宽度变窄，在高频端(12 GHz)最小，此时E面的-12 dB波瓣宽度为60°，H面的-12 dB波瓣宽度为90°.图4 不同探针位置对应的驻波比f=4 GHzf=8 GHzf=12 GHz图5 天线E面远场辐射方向图3 实验测试在模拟的基础上，对该喇叭进行了加工测试.并在整个工作频段以1 GHz为频率间隔采样点，对天线的方向图特性和驻波特性进行了测试.图 6、7为4～12 GHz之间2个典型频点的E面方向图测量结果及相应CST仿真结果的对比.其中，实线为实验测试结果，虚线为模拟结果.可以看出，测量结果与仿真结果总体上吻合较好.然而在高频段，测试结果与模拟结果之间的差异变大，这主要是由于高频段对应电磁波波长变短，此时加工工艺对测试结果的影响变得明显所致.(a) f=7 GHz(b) f=8 GHz图6 f=7 GHz及f=8 GHz 的E面方向图4 结论设计了一个工作于4～12 GHz的双极化四脊喇叭天线，利用CST软件分析了不同后腔结构及探针位置对天线辐射性能的影响.研究结果表明，天线后腔如果采用渐变结构能有效降低天线的输入驻波比，同时探针的位置对天线驻波比也有很大影响，当探针伸入到一对脊中的另一膜片内部时，天线输入驻波比达到最佳值，在整个工作频带范围内小于2.天线在整个工作频带范围内都具有较好的方向图特性，E面、H面的-12 dB波瓣宽度在低频端大于110°，随着频率升高，波瓣宽度有所降低，但是仍然能满足主天线的要求，总体上，整个频带范围内，-12 dB波瓣宽度均大于60°.实验测试结果与模拟研究结果具有较好的一致性.本文设计的天线适合用作特定情况下抛物面天线的馈源.参考文献[1] 何山红, 傅永生. 分析款频带、双极化、恒束宽四脊喇叭的混合方法[J]. 电波科学学报, 2002, 17(2): 160-164.HE Shanghong, FU Yongsheng. A hybrid method for analyzing quadruple-ridged horns with wide-bandwidth, dual polarization and constant beamwidth[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2002, 17(2): 160-164. (in Chinese)[2] PYLE J R. The cutoff wavelength of the TE10 mode in ridged rectangular waveguide of any aspect ration[J]. IEEE MTT, 1966, 14(4):175-183.[3] 藤秀文. 电子战四脊喇叭天线[J]. 电子对抗技术, 1995, 9(4): 22-27.[4] KERR J L. Short axial length broad-band horns[J]. IEEE Tans Antennas and Propagation, 1973, 21: 710-714.[5] 毛岫, 李鹏程, 邓辉, 等. 500MHz～3.5GHz高性能宽带双极化天线的研制[J]. 微波学报, 2008,24(增刊): 93-97.MAO Xiu, LI Peng-cheng, DENG Hui, et al. A high performance 500MHz～3.5GHz broadband and dual-polarized antenna[J]. Journal of Microwave,2008,24(Sup):93-97. (in Chinese)[6] 李彬, 杨永. 宽带双极化四脊圆喇叭天线的分析与设计[J]. 信息与电子工程, 2011, 9(2): 180-184.LI Bin, YANG Yong, Analysis and design of broadband dual-polarized quadruple-ridged circular horn antenna[J]. Information and ElectronicEngineering, 2011, 9(2):180-184. (in Chinese)。
一种高效率的四脊喇叭馈源
半 照射 角 为 ４ ５ 。 的４ ． ５ ｉ ｎ标 准抛 物 面 天 线进 行 效 率 计 算， 天 线效 率在 ３ ： １频带 内优 于 ５ ５ ％。
敏度 ， 还需 要宽频 带 工作 。四脊 喇 叭 和 Ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｎ馈 源 都 具 有 良好 的辐 射方 向 图 和较 宽 的 工作 带 宽 ， 但 Ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｎ
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ａ ｐ ｅ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ｅ ｆ ｉ ｆ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｉ ｓ ｒ ｅ ｇ ａ ｒ ｄ ｅ ｄ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｇ ｏ ａ ｌ ｏ ｆ ｑ ｕ ａ ｄ — ｒ ｉ ｄ ｇ ｅ ｄ ｌ ｆ ａ ｒ ｅ ｈ ｏ ｒ ｎ（ Ｑ Ｒ Ｆ Ｈ）ｆ ｅ ｅ ｄ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ｉ ｔ ｓ ｄ ｉ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｏ ｎ ｂ ｅ ａ ｍ ｓ ｙ ｍｍ ｅ ｔ ｒ ｙ ， ｂ ｅ ａ ｍ ｗ ｉ ｄ ｔ ｈ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ａ ｐ ｅ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ａ ｒ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ．Ａ ｈ ｉ ｇ ｈ － ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ Ｑ Ｒ Ｆ Ｈ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
ｗ ｉ ｔ ｈ ３ ： １ ｂ ａ ｎ ｄ ｗｉ ｄ ｔ ｈ ｉ ｓ ｇ ｉ ｖ ｅ ｎ ．Ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ａ ｌ ｏ ｗ ｒ ｅ ｌ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ，ａ ｍａ ｉ ｎ ｌ ｏ ｂ ｅ ｗｉ ｔ ｈ ｎ ｅ ａ ｒ — ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｓ ｙ ｍｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｂ ｅ ａ ｍ—
馈源喇叭天线的研究
馈源喇叭天线的研究引言馈源喇叭天线是一种广泛应用于无线通信、雷达、电子对抗等领域的天线设备。
它具有宽频带、高辐射效率、低交叉极化等特点，因此备受。
本文旨在深入探讨馈源喇叭天线的研究现状，涉及相关文献的综述、设计实现方法、实验验证等方面，以期为该领域的发展提供参考。
相关研究综述馈源喇叭天线的研究已经取得了丰富的成果。
早期的研究主要集中在天线的辐射特性、阻抗匹配和极化等方面。
随着技术的不断发展，研究者们开始天线的宽带性能和多频段应用。
然而，现有的研究仍存在一些不足之处，如缺乏对新型材料和结构的研究，以及对天线在复杂环境下的性能评估不够充分等。
馈源喇叭天线的设计与实现馈源喇叭天线的设计与实现是本文的重点之一。
根据前期研究，本文选取了一种新型的超材料作为馈源喇叭的材料，以改善天线的性能。
同时，采用特定的阻抗匹配层来优化天线的阻抗匹配，从而提高辐射效率。
在设计中，我们还考虑了天线的极化、增益和波束宽度等因素，以确保天线在不同应用场景下的适应性。
实验结果与分析为了验证馈源喇叭天线的性能，我们进行了一系列实验测试。
实验结果表明，采用新型超材料设计的馈源喇叭天线在宽频带范围内具有较高的辐射效率和稳定性。
此外，天线的阻抗匹配良好，能够有效降低反射损耗。
实验结果还显示，该天线在多个频段上均具有较好的性能，可实现多频段通信。
总结与展望本文对馈源喇叭天线进行了深入研究，通过新型超材料的选取和应用，实现了天线的优化设计。
实验验证结果表明，该天线具有较高的辐射效率和稳定性，可广泛应用于无线通信、雷达、电子对抗等领域。
展望未来，我们认为以下几个方向值得深入研究：1、新材料与新结构：进一步探索新型材料和结构在馈源喇叭天线中的应用，以实现更优的性能和更多的功能。
例如，可以研究具有高导电性、轻质、耐腐蚀等特点的新型材料，以及具备复杂结构的多频段天线。
2、智能化与多功能：将人工智能、物联网、云计算等技术与馈源喇叭天线相结合，实现天线的智能化与多功能化。
14-喇叭天线 天线原理
面上的电场和磁场分别用磁流Jm和 电流Je表示:
J e az H s a y H x J m a z Es a x E y
Je Jm
面元坐标图
设流过Ie和Im的长度分别为dx和dy， 对应的电流元和磁流元分别为：
Iedy=Jedxdy=Hxdxdy 沿-y方向
Imdx=Jmdxdy=Eydxdy 沿 x方向
dxdy沿y方向x方向面元坐标图等效电流元和磁流元researchinstituterftechniquesschoolinformationengineeringe面辐射场于是面元在e平面的辐射场为60sindxdydydxresearchinstituterftechniquesschoolinformationengineeringh面辐射场于是面元在h平面的辐射场为cosresearchinstituterftechniquesschoolinformationengineering电流元与磁流元方向图的合成原理researchinstituterftechniquesschoolinformationengineeringcossincossinsincossincosresearchinstituterftechniquesschoolinformationengineering在空间任一点的总场合成场的量值为
等效电流元和磁流元
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
E面辐射场
电流元的辐射场为
South China University of Technology
高性能溅散板馈源天线的研究与设计的开题报告
高性能溅散板馈源天线的研究与设计的开题报告一、选题背景及意义：在移动通信领域，天线是不可或缺的组成部分。
并且随着天线技术的不断发展，各种不同形式和性能的天线应运而生，其中馈源天线尤为重要。
馈源天线是将RF信号传送到天线的载体上的天线，是移动通信中经常使用的一种天线。
当前，馈源天线具有高性能和高可靠性等特点，越来越受到广大研究者的关注。
本次研究旨在设计并研发高性能溅散板馈源天线，主要包括实验验证与仿真分析两个方面。
首先，进行实验验证，通过实际测量验证该馈源天线的性能，同时，根据性能需求进行优化设计，如提高工作频率范围、增大带宽等。
其次，进行仿真分析，基于建立的数值模型和电磁仿真软件进行天线性能仿真和优化设计，通过建立的数学模型预测馈源天线的性能和优化方向，同时减少了实验成本和周期，更加高效。
通过以上两个方面的研究开展，本研究的成果将对馈源天线的研发和应用具有一定的参考价值，可以帮助研究者更好地理解馈源天线的性能和特点，并为移动通信领域的技术提升做出贡献。
二、研究方法：1. 实验验证：（1）制作溅散板馈源天线样机并进行实测；（2）对样机的性能进行分析及评价；（3）对实测结果进行优化设计。
2. 仿真分析：（1）建立仿真模型和数学模型；（2）利用电磁仿真软件对馈源天线进行仿真分析；（3）预测馈源天线的性能及优化方向。
三、研究计划：（1）文献综述阶段：调研馈源天线的概念、特点和现有研究成果。
（2）方案设计阶段：设计并制作溅散板馈源天线样机，并进行实验验证；建立仿真模型和数学模型，在电磁仿真软件上进行仿真分析。
（3）实验验证阶段：对样机的性能进行分析及评价；对实测结果进行优化设计。
（4）仿真分析阶段：利用电磁仿真软件对馈源天线进行仿真分析；预测馈源天线的性能及优化方向。
（5）结论总结阶段：总结研究成果并敲定论文。
四、预期成果及目标：1. 完成高性能溅散板馈源天线的设计与研发，并得到相关数据证明其具有高性能和高可靠性的特点；2. 出版发表1-2篇相关高质量学术论文，获得1项以上专利技术；3. 为移动通信领域的天线技术研究打下一定基础，为行业提供有效的技术支撑。
基于阻抗超表面的高效率角锥喇叭馈源
基于阻抗超表面的高效率角锥喇叭馈源何应然;刘磊;杜彪【摘要】研究了一种基于阻抗超表面的高效率角锥喇叭馈源.将阻抗超表面放置于金属角锥喇叭内壁,获得了一种性能良好的新形式高效率馈源.首先分析了超表面对表面阻抗特性的调控作用,并证明该超表面对TE波和TM波呈现不同的阻抗特性.在特定的阻抗条件下,该喇叭内壁可以支持平衡混合模式,从而获得旋转对称的辐射波束.然后设计和加工了Ku频段的超表面高效率馈源,馈源的测试方向图表明其辐射性能优良.最后将该馈源照射一款1.25 m Ku频段环焦天线,测试其辐射方向图,同样显示出其优异性能.与该环焦天线原有的波纹喇叭馈源相比,超表面高效率馈源的性能与波纹喇叭馈源相当,同时在体积、重量和成本方面具有明显优势.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2018(033)003【总页数】7页(P350-356)【关键词】高效率馈源;反射面天线;阻抗超表面;平衡混合模式【作者】何应然;刘磊;杜彪【作者单位】中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄050081;中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄050081;中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄050081【正文语种】中文【中图分类】TN821;TN828引言反射面天线以其高增益、结构简单等优点,广泛用于卫星通信、射电天文、遥控遥测和电子对抗等领域[1-2]. 馈源作为反射面天线系统的核心部件,其性能直接决定着天线系统的电气指标.波纹喇叭是最经典的反射面天线高效率馈源. 喇叭壁上的波纹槽,可以改变喇叭内壁的阻抗特性,使喇叭内传播的模式为混合模[3]. 在混合平衡条件下,波纹喇叭的辐射方向图旋转对称、交叉极化低、旁瓣电平低,是性能优异的反射面天线馈源. 但是,波纹喇叭也存在着一些缺陷,如重量较重、加工难度大、加工成本高等问题.超材料(meta-material)是一种由亚波长微结构单元在三维空间周期性排列构成的等效电磁材料,它可以实现自然材料不具备的电磁响应,如负介电常数、负磁导率、强各向异性、梯度变化等[4]. 由于这些特殊电磁响应,它可以支持各种奇异的电磁效应,如负折射、突破衍射极限的亚波长成像、隐身斗篷等[5-6]. 超表面(meta-surface)是一种亚波长微结构单元在二维表面周期性排列而成的功能表面,它相当于一种薄层结构的超材料[7]. 超表面相比超材料,结构相对简单,加工和制作更为容易. 采用超表面可以控制电磁波的反射/透射相位、极化状态和表面阻抗特性[8-11]. 采用阻抗超表面可以调节边界的阻抗条件[12-13],使金属光壁波导支持平衡混合模式,从而获得低交叉极化的辐射波束.根据超表面的工作原理,本文设计了一个Ku频段的超表面角锥喇叭馈源,加工了馈源样机,并测试了其性能. 仿真和测试结果表明,该馈源具有旋转对称的方向图和较低的交叉极化电平. 为了进一步验证其性能,将该馈源用于一款环焦天线中,测试了天线的辐射性能,结果表明天线的性能优良. 相比文献[12]和[13],本文直接将阻抗超表面用于设计反射面天线馈源,并在研究过程中详细对比了超表面角锥喇叭馈源和波纹喇叭馈源的性能. 对比结果表明,超表面馈源的性能可以与波纹喇叭相媲美,同时具有重量轻、纵向长度小、加工成本低等优点.1 超表面的工作机理分析本文提出的超表面角锥喇叭馈源包含角锥喇叭和阻抗超表面两部分. 在馈源设计中采用的阻抗超表面均带有金属地板,因此入射到这种超表面上的电磁波会被完全反射. 与平面金属地板的不同之处在于,通过单元结构设计,超表面对TE极化的电磁波和TM极化的电磁波呈现不同的电抗特性. 阻抗超表面的这一特性,对高效率馈源设计是至关重要的. 超表面结构的作用与波纹喇叭中的波纹槽的作用是类似的,它通过对边界阻抗的调制作用,使得角锥喇叭可以支持平衡混合模式,从而产生旋转对称的辐射方向图和较低的交叉极化电平,提高天线照射效率.1.1 超表面单元结构及其阻抗特性本文采用的超表面单元结构如图1所示,它是一种含金属化过孔的贴片结构,单元的下表面为金属地,上表面的金属贴片图案为“凸”字形,其优化后的尺寸见图中标注, 连接上表面金属贴片和下表面金属地的金属过孔直径为0.5 mm,单元排布周期p=3.8 mm. 该结构可以采用印制板工艺加工,本文选用的印制板材料为Rogers 5880,介电常数为2.2,厚度为2.54 mm.图1 超表面单元结构示意图Fig.1 The structure diagram of the meta-surface unit cell根据电磁理论可知,对倾斜入射的电磁波,超表面单元对TE波和TM波呈现不同的阻抗特性. 对图1中的超表面单元,TE波照射该单元会出现电谐振,TM波照射该单元会出现磁谐振,这种电磁谐振能够显著改变边界的阻抗特性. 阻抗特性的变化则直接反映到电磁波的复反射系数上,两者之间的具体关系为[13]:(1)(2)式中:α为倾斜入射角度;Z0为真空阻抗;ZTE和ZTM分别为超表面对TE极化波和TM极化波的边界阻抗;和分别为TE极化波和TM极化波的复反射系数.在全波仿真软件中,采用周期性边界条件,可以准确地计算得到电磁波倾斜入射到超表面时的反射系数和由于电磁波在喇叭中传播时,其能量射线与喇叭内壁呈大角度掠入射,全波仿真中采用的入射角度一般设定为75°～85°. 这里选用的电磁波入射角度为80°,并利用式(1)和(2)得到了TE波和TM波的边界阻抗特性. 为了获得平衡混合的电磁波模式,理想的阻抗边界条件为(3)利用全波仿真的反射系数提取到的超表面结构的电抗值ΧTE=Im(ZTE),ΧTM=Im(ZTM)和混合阻抗Zhybrid=sqrt(ZTEZTM),见图2. 由于本文使用的阻抗超表面带有金属地,ZTE和ZTM均为纯虚数,对应的Zhybrid为纯实数[13]. 图2中的电抗值和混合阻抗值已经对真空阻抗Z0做了归一化. 从图中可知,本文采用的超表面单元在11～19 GHz内的阻抗特性接近于理想的阻抗边界条件.图2 超表面单元的阻抗特性Fig.2 The impedance characteristics of the meta-surface unit cell1.2 加载超表面的金属波导的本征模式金属光壁波导是天线工程中主要的导波结构. 其中,矩形金属波导的基模是TE10模,圆形金属波导的基模是TE11模. 但这类波导模式的场分布不适宜作为馈源辐射使用,其主要问题是:辐射方向图不等化,E面波束宽度比H面波束宽度更窄.这里借鉴波纹喇叭的工作原理,将阻抗超表面单元加载于方形金属波导内壁以获得平衡混合模式. 平衡混合模式的特点在于模式电场呈现圆对称分布,同时具有线极化纯度高的特点.为了直观地表明超表面结构对方形波导内部电磁场的调控作用,这里采用全波仿真的方法,得到了加载超表面的金属波导的本征场分布.仿真中采用的模型如图3所示.由于波导内的模式分布特征对波导尺寸不敏感,这里选用尺寸为60.8 mm的方波导来说明平衡混合模的特点. 超表面单元的几何参数与1.1中的单元尺寸一致. 在波导前后侧施加的边界条件为周期性边界条件,可以得到波导内部支持的本征电磁场模式.图3 加载超表面结构的方形波导Fig.3 Meta-surface loaded square waveguide 图4(a)给出了一个代表性的本征电磁场模式,其模式的工作频率是13.3 GHz. 从图中的场分布可知,加载超表面结构的金属波导内部的电场分布呈现旋转对称性和纯净的线极化特性. 模式场的旋转对称性意味着其辐射波束是旋转对称的;纯净的线极化特性意味着其辐射波束具有低交叉极化特性.作为对比,图4(b)给出了不加载超表面结构的金属波导内部的电场分布. 这种情况下,波导内部的模式为TE10模,其场值沿电场方向为均匀分布,沿磁场方向为余弦分布,故相应的辐射波束不具有旋转对称特性.(a) 超表面波导(a) Meta-surface waveguide(b) 光壁金属波导(b) Smooth wall metal waveguide图4 本征电场分布Fig.4 The intrinsic electric field distribution2 超表面角锥喇叭的仿真设计和样机测试以上述超表面单元的理论分析为基础,将相应的超表面加载于光壁角锥喇叭内壁,可以获得新形式的高效率馈源.在超表面角锥喇叭馈源设计中遵循的原则如下:1) 角锥喇叭的辐射口面尺寸与辐射波束的照射角直接相关. 辐射口面越大,馈源的辐射波束越窄. 一般地,超表面角锥喇叭馈源的波束宽度与相同尺寸的角锥喇叭的H 面波束宽度非常接近. 在馈源设计时,可根据这一规律,快速得到喇叭口径的尺寸.2) 角锥喇叭的馈电口为方形波导,波导口的尺寸要保证水平和垂直双线极化的TE10模正常传输,同时避免高阶模式的出现.3) 常见印制板的厚度在0.1～4 mm. 而阻抗超表面用于馈源设计时,其工作频率与印制板的厚度直接相关. 因此,在馈源设计时需要考虑印制板工艺的适用性.4) 印制板上的超表面单元为平面周期排列,而角锥喇叭馈源内使用的超表面外形为梯形. 当单元在梯形印制板上排列时,在梯形边缘处要保证单元的完整性. 即边缘处的排布空间不足一个完整单元时,此处的超表面单元排列便做空缺处理.根据以上原则,设计了一种Ku频段的超表面角锥喇叭馈源. 该馈源将照射1.25 m 环焦天线,该天线对馈源的指标要求为:馈源照射角±26°频率范围 11.45 ～14.5 GHz副面直径 180 mm边缘照射电平 -15～-20 dB根据上述技术要求,角锥馈源的辐射口边长A为80 mm;其馈电口为方口,边长B为19.05 mm;方形馈电口至馈源辐射口的长度L为100 mm. 在馈源内部加载了四片梯形的阻抗超表面,超表面的单元结构与尺寸见1.1节.超表面馈源的三维仿真模型和实物照片如图5所示. 利用电磁仿真软件CST计算了该超表面馈源的传输和辐射特性. 采用印制板工艺加工了阻抗超表面,将四片超表面印制板胶粘于角锥喇叭内壁,即完成了超表面角锥喇叭馈源样机的加工. 馈源的驻波特性采用矢量网络分析仪测得,馈源的辐射方向图在暗室中测试得到.(a) 仿真模型(a) Simulation model(b) 实物照片(b) Prototype photograph图5 超表面馈源Fig.5 The meta-surface feed图6是馈源仿真与测试的驻波曲线.从图6可知,该馈源在设计频段11.45～14.5GHz范围内的驻波值小于1.36,仿真与测试结果吻合良好. 图7是馈源仿真与测试的方向图曲线．在设计频段范围内,馈源的实测结果与仿真结果吻合得非常好. 从图7中的结果可知:该馈源在宽频带范围内具有良好的波束等化特性;馈源的交叉极化低于-18 dB.图6 超表面馈源的驻波特性Fig.6 The VSWR of the meta-surface feed(a) f=11.5 GHz(b) f=13.0 GHz(c) f=14.5 GHz注：红色线条、蓝色线条和黑色线条分别表示E面主极化方向图、H面主极化方向图和45°面交叉极化方向图；虚线表示仿真结果；实线表示测试结果图7 超表面馈源的仿真和实测方向图Fig.7 The simulated and measured radiation patterns of the meta-surface feed3 与波纹喇叭馈源的性能对比3.1 超表面馈源与波纹喇叭馈源的辐射特性对比本文将超表面馈源与1.25 m环焦天线原配的波纹喇叭馈源进行了比较. 三个代表性频点上两种馈源的仿真方向图见图8. 从图8结果可知,两种馈源在相应频点的辐射方向图基本一致,这意味着馈源照射环焦天线的口面效率也应基本相同.(a) f=11.5 GHz(b) f=13.0 GHz(c) f=14.5 GHz图8 两种馈源的辐射方向图对比Fig.8 Comparisons between the radiation patterns of the two feeds3.2 两种馈源照射环焦天线的电气性能对比为了更直接地验证超表面馈源性能,将该馈源安装于口径为1.25 m环焦天线上,并测试了天线的各项电气性能. 以超表面角锥喇叭作馈源的反射面天线照片如图9所示. 采用远场法,分别测试了以角锥喇叭和波纹喇叭作馈源的环焦天线性能.图9 安装超表面馈源的反射面天线照片Fig.9 The photograph of the reflector antenna with meta-surface feed由于篇幅限制,仅给出频率为12.25 GHz的两种喇叭作馈源的环焦天线测试方向图,如图10所示. 可见,超表面馈源照射天线的方向图与波纹喇叭照射天线的方向图相比,其波束宽度和旁瓣均非常接近.图10 天线主面测试方向图(f=11.5 GHz)Fig.10 The measured patterns of the antenna两种馈源的环焦天线增益测试曲线如图11所示.在低频段超表面馈源的增益略高于波纹喇叭馈源,在高频段波纹馈源的增益略高于超表面馈源.在整个工作频段范围内,两者的增益差值不超过0.4 dB.图11 两种馈源照射天线主面的测试增益值Fig.11 The measured gains of the main reflector antenna with the two feeds为评估馈源的损耗,采用比较法,对卫星测试了天线在两个信标频点的载噪比C/N0[14]. 在信标频率12.253 GHz,波纹喇叭和超表面喇叭的C/N0分别是-68.21 dB/Hz和-68.36 dB/Hz;在信标频率12.741 GHz,波纹喇叭和超表面喇叭的C/N0分别是-68.98 dB/Hz和-68.02 dB/Hz. 测试结果表明这两种喇叭作馈源的天线的C/N0基本相同,即两者的G/T值基本相当. 可见,本文设计的超表面馈源和波纹喇叭馈源一样属于低损耗馈源.3.3 两种馈源的尺寸重量对比由3.1节和3.2节的结果可知,超表面馈源与波纹喇叭馈源的电气性能相当. 这里进一步比较两种馈源的尺寸和重量. 从纵向长度看,波纹喇叭馈源的馈电口到辐射口的距离为180 mm,超表面馈源的馈电口到辐射口的距离为100 mm;从重量看,波纹喇叭馈源为1.16 kg,超表面角锥喇叭馈源为0.27 kg. 图12是两种馈源的实物对比照片. 可见,超表面馈源的纵向长度相比波纹喇叭馈源明显缩短,同时重量显著下降. 而且,超表面馈源采用印制板工艺制作而成,加工精度高,成本较低. 相比波纹喇叭馈源,超表面馈源在体积、重量和成本等方面具有明显优势.图12 两种馈源的实物照片Fig.12 Photograph of the two feeds4 结论本文针对经典馈源波纹喇叭的结构复杂、加工难度大和成本较高等问题,将阻抗超表面加载于角锥喇叭内壁,获得了一种新形式的高效率馈源. 文中首先给出了一种基于印制板工艺的超表面单元结构,并分析了它的表面阻抗特性. 然后将该超表面结构加载于金属方形波导内壁,表明其波导内部支持的模式具有旋转对称性和高纯度线极化特性. 针对一款Ku频段的1.25 m环焦天线,设计了一个超表面角锥喇叭馈源,并加工了馈源样机,测试了馈源的电气性能. 最后将该馈源用于Ku频段1.25 m环焦天线上,并测试了天线的电气指标. 本文还综合比较了超表面馈源与波纹喇叭馈源的各项性能,包括馈源方向图、照射天线的增益、G/T值等. 比较结果显示,超表面角锥喇叭馈源的电气性能与波纹喇叭馈源相当,且在尺寸、重量和成本方面具有明显优势.尽管本文介绍的高效率超表面角锥喇叭馈源工作于Ku频段,但本文的设计原理和设计方法能够方便地推广到更低频段和更高频段的应用. 在低频段,超表面馈源尺寸小、重量轻和成本低,在高频段,超表面馈源采用印制板加工工艺精确易于保证,在这两种情况下,与波纹喇叭相比超表面馈源的技术优势更为显著.参考文献【相关文献】[1] 杨可忠, 杨智友, 章日荣.现代面天线新技术[M].北京: 人民邮电出版社, 1993.[2] 杜彪, 伍洋, 张一凡, 等. 大口径反射面天线技术综述[J]. 无线电通信技术, 2016, 42(1): 1-8. 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一种双频喇叭馈源的相位中心分析
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一种双频喇叭馈源的相位中心分析
作者：黎娜
来源：《现代电子技术》2012年第07期
摘要：多模圆锥喇叭天线是一种应用较广的高效率喇叭天线，它被广泛应用于反射面初级馈源。
双频多模圆锥喇叭天线在收发两个频率处的相位中心是不重合的，当其作为反射面馈源时，其相位中心及安放位置的确定对于反射面天线的性能有着不可忽视的影响。
从天线相位中心的定义出发，计算了双频多模喇叭天线在收发频率处的相位中心，并对该天线在偏置反射面系统中的安放位置进行了分析，确定了馈源的最佳安放位置。
关键词：多模圆锥喇叭; 双频段; 反射面馈源; 相位中心
中图分类号：TN820.12 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2012)07-0098-03。
赋形反射面天线及馈源系统研究
赋形反射面天线及馈源系统研究一、本文概述随着无线通信技术的迅猛发展，赋形反射面天线及馈源系统在无线通信、雷达、卫星通信等领域的应用越来越广泛。
这些系统以其高效、精确的信号传输和接收能力，成为现代通信系统中不可或缺的重要组成部分。
本文旨在对赋形反射面天线及馈源系统的研究进行深入探讨，分析其基本原理、设计方法、性能优化以及应用前景，以期为推动相关技术的发展提供理论支持和实践指导。
本文首先介绍了赋形反射面天线及馈源系统的基本原理和关键技术，包括天线的辐射原理、赋形反射面的设计原理、馈源系统的结构和工作原理等。
在此基础上，详细阐述了赋形反射面天线的设计方法，包括天线形状的选择、赋形面的优化设计、馈源位置的选择等，并对馈源系统的性能进行了详细分析。
接着，本文重点探讨了赋形反射面天线及馈源系统的性能优化问题。
通过对天线形状、赋形面设计、馈源系统结构等关键参数进行优化，提高了天线的增益、方向性、效率等性能指标。
同时，本文还研究了天线在复杂环境下的适应性问题，包括多径干扰、电磁环境干扰等因素对天线性能的影响，并提出了相应的优化措施。
本文展望了赋形反射面天线及馈源系统的应用前景。
随着5G、物联网、卫星通信等技术的快速发展，赋形反射面天线及馈源系统将在更多领域发挥重要作用。
本文分析了这些领域对天线系统的需求，并探讨了未来天线系统的发展趋势和挑战。
本文旨在全面、系统地研究赋形反射面天线及馈源系统的基本原理、设计方法、性能优化和应用前景，为相关技术的发展提供理论支持和实践指导。
通过深入分析和研究，本文期望为赋形反射面天线及馈源系统的设计和应用提供有益的参考和启示。
二、赋形反射面天线的基本原理赋形反射面天线是一种特殊的天线类型，其设计旨在通过调整反射面的形状来优化天线的辐射性能。
赋形反射面的基本原理可以追溯到几何光学和物理光学的基础理论。
在几何光学中，反射面天线的工作原理类似于一个大型的凹面镜或凸面镜，通过反射面将来自馈源的电磁波汇聚或扩散到特定的方向。
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1.戚海洋,高胜凯,陈伟波纹喇叭馈源领域专利申请状况综述[期刊论文]-中国新通信 2015(09)
2.黎娜一种双频喇叭馈源的相位中心分析[期刊论文]-现代电子技术 2012(07)
3.钞春晓倒置卡塞格伦天线抛物面以及馈源的设计[期刊论文]-物联网技术 2014(06)
引用本文格式:李萌馈源喇叭天线的研究[学位论文]硕士 2010
西安电子科技大学
硕士学位论文
馈源喇叭天线的研究
姓名:李萌
申请学位级别:硕士专业:电磁场与微波技术指导教师:鄢泽洪
20100101
馈源喇叭天线的研究
作者:李萌
学位授予单位:西安电子科技大学
4.秋实.高红卫.焦永昌.刘国治.张福顺.侯青.贾鹏.QIU Shi.GAO Hong-wei.JIAO Yong-chang.LIU Guo-zБайду номын сангаасi. ZHANG Fu-shun.HOU Qing.Jia Peng E面和H面方向图等化的双模圆锥喇叭设计[期刊论文]-强激光与粒子束2005,17(8)
被引用次数:8次
1.郭峥Ku波段圆锥波纹喇叭馈源的设计[学位论文]2007
2.银秋华.周志华.杜彪.YIN Qiu-hua.ZHOU Zhi-hua.DU Biao纵槽波纹喇叭的模式算法[期刊论文]-无线电工程2006,36(1)
3.曹培培.程显海.郭华民多模圆锥喇叭天线的优化设计[会议论文]-2009