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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)
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8～18 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WR-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32.49 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7.43～12.8 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9.6～11.7 GHz相对带宽仅为19.7%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8.7～11.3 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8.75～10.65 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。
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2.72，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]
εx=ε1×W1+ε2×W2。
(1)
式中：εx为Ex方向的等效介电常数；
ε1和ε2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
(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εr的材料中，电场的相位常数β(或波数k)为
(3)
式中：f是频率；
c是电磁波在真空中的速度。因此，Ex和Ey两个方向上的相位差为
(4)
βx和βy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φ3<φ1,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φ2=φ4)。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
2.1 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a×b=22.86 mm×10.16 mm，主模的工作频率范围为8.2～12.5 GHz，截止频率为6.57 GHz；
喇叭的总体长度为L=56.57 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]：
(5)
(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=69.23 mm,b1=50.71 mm。
2.2 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，设计了与极化器具有相同介电常数的锥状介质，加载在介质极化器的下端(如图4所示的粉红色部分)。该设计能改善馈电波导与喇叭之间的匹配，降低驻波系数，也起到改善方向图的作用。
图4 仿真整体模型
基于第1节的理论分析，对图1所示极化器的宽度W2进行扫参分析，在中心频率为10 GHz时，轴比随W2的变化而变化。如图5(a)所示，当W2=3.5 mm时，轴比最小，性能最好。同理，取W2=3.5 mm，并对W1也进行扫参分析，当W1=9.9 mm时得到轴比性能最好。然后，固定W1=9.9 mm和W2=3.5 mm，对介质极化器的厚度H进行仿真分析，图5(b)所示为天线在10 GHz时的轴比与增益随厚度的变化而变化的扫参结果。从结果可见，随着厚度的不断变化，在厚度H=63 mm(约为2λ0，λ0为自由空间波长)时，轴比小于3 dB，性能最佳。随着H的增高，轴比又逐渐增大。因此，要保证良好的轴比性能，H要选一个合适的值。同时，从图5(b)可见，随着厚度的增加，天线的增益逐渐增加，原因是随着厚度的增加，沿着路径1的电磁波增多，因此提高了天线的增益，正吻合了上节的理论分析。为了兼顾轴比性能，厚度值不能过大，取H=63 mm，从而既能实现线圆极化转换，又能提高天线的增益。
(a)频率为10 GHz时的轴比曲线随W2的变化
(b)频率为10 GHz时的轴比曲线和增益曲线随介质厚度H的变化图5 频率为10 GHz时轴比和增益仿真结果
2.3 天线实测结果
为验证理论分析与仿真分析的正确性，对天线进行加工和测试。实物如图6所示，整个天线由喇叭天线、介质极化器以及同轴转波导接头组成，组装成图6的右侧所示的结构。
图6 加工实物
使用手持式网络分析仪KEYSIGHT N9918A对天线的阻抗带宽进行了测试，实测结果与仿真结果如图7所示。由图可见，天线在8～12 GHz的S11均小于-10 dB，匹配效果良好。由于介质加工误差以及套口和介质极化器之间存在间隙导致了S参数在某些频段上产生一定差异，但总体上实测与仿真趋势较吻合，阻抗带宽包含了8～12 Hz。
图7 天线的实测反射系数与仿真对比
在微波暗室中使用天线近场测量系统NSI2000对天线的增益、轴比和方向图进行测试，实测环境如图8所示。
图8 实测环境
图9给出了8、9、10、11、12 GHz实测与仿真的xoz和yoz面的归一化方向图，可以看出天线的主极化为左旋圆极化(LHCP)，交叉极化为右旋圆极化(RHCP)，xoz面的3 dB波束宽度在整个工作频段大约为20°,而yoz面的3 dB波束宽度大约为30°,原因是xoz面的介质较长，有效辐射面积较大，导致3 dB波束宽度小于yoz面。实测交叉极化电平小于20 dB，实测与仿真交叉极化趋势吻合，具有良好的交叉极化特性。由于系统限制，天线后瓣未进行测量，因此实测只给出天线的前瓣部分归一化方向图。总体来看，仿真结果与测试结果基本吻合，在10、11、12 GHz的左旋圆极化方向图的实测副瓣比仿真偏大，原因可能是天线测试夹具的影响导致了测试系统抖动。在12 GHz的实测方向图波束略小于仿真方向图波束，可能原因是随着频率的增加，介质的介电常数会随着频率的变化而产生微小变化，介电常数存在不确定因素，但趋势吻合，在可接受误差范围内。
图9 不同频率下的仿真与实测归一化远场方向图对比
图10给出了仿真与实测的加载介质极化器与原喇叭天线的增益曲线和轴比曲线，可以看出实测与仿真趋势一致，未加载介质的喇叭天线在8～12 GHz的仿真增益在12.8～14.7 dBi，而实测增益在12.5～13.9 dBi，总体下降1 dB左右；
加载介质的喇叭天线在8～12 GHz的仿真增益在15.2～16.1 dBic，而实测增益在14.3～15.8 dBic，总体也下降了1 dB。总体上，加载介质的实测增益提高了1.5～2.4 dB，符合上节分析，加载介质后增益有所提高。造成实测增益比仿真增益低的原因可能是材料损耗，以及测试夹具增大了副瓣。实测轴比曲线与仿真轴比曲线吻合较好，天线在8～12 GHz范围内轴比均小于3 dB，具有良好的圆极化特性。实测结果与仿真结果对比进一步证明了该天线具有高增益定向辐射、低交叉极化电平、宽宽轴比带宽等特性。
图10 实测与仿真的增益曲线与轴比曲线
为了突出本文设计的优势，表1比较近年来圆极化喇叭天线的相关文献。从表中可见，本文设计的圆极化喇叭天线的轴比相对带宽较大[4,6-8,11]。同时,介质极化器可用3D打印技术制作，相对于文献[4,6-7]制作简单，成本更低。文献[6]加超表面设计较复杂，同时极化转化效率低造成与原来馈源相比增益下降。文献[7]加载SSPPs结构也相对复杂，而且未能提高增益。本文加载介质实现圆极化相比于文献[8]剖面较高，但能提高增益；
相比于文献[11],本文设计的剖面较高以及提高的增益较小，但轴比带宽相对要宽。总体上，本文实现圆极化方式相比于很多文献来说较简单，而且实现带宽更宽，虽然增益提高不如文献[11],但比其他不能提高增益的文献相对要好，剖面也较低。
表1 近几年来文献的天线性能对比
本文设计了一款工作于X频段的喇叭天线。该喇叭天线由标准同轴转波导接头馈电,并设计了一款可用3D打印技术加工、工作于X频段的介质极化器，并将该极化器加载到喇叭天线上，实现宽频带内将线极化波转换为圆极化波，并且提高天线的增益。同时，在介质极化器的下端加载锥状介质，改善了阻抗匹配和辐射方向图题。通过将介质极化器加载到喇叭天线上，最终在8～12 GHz工作范围内实现从线极化转为圆极化，在工作频段范围内轴比均小于3 dB，实测的S11也均小于-10 dB，方向图在整个工作频段稳定。实测增益曲线与仿真曲线吻合较好，实测轴比曲线与仿真曲线也吻合较好。本文设计的极化器具有加工简便、成本低的优点，并能实现圆极化波与提高天线增益，可以应用于雷达、跟踪制导、卫星通信系统等领域。但是，该天线与有些介质加载圆极化喇叭天线相比提高的增益有限，下一步将研究在更宽频带内实现圆极化，同时使天线增益得到更大的提高。
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