面向X/Ku双频段卫星通信系统的变深度波纹高斯剖面波纹喇叭天线分析

《Electronics》：Analysis of a Gaussian-Profiled Corrugated Horn Antenna with Variable-Depth Corrugations for Dual-Band X/Ku Satellite Communication Systems

　　

本文研究了具有归一化高斯型可变剖面的波纹喇叭天线的设计与解析综合。该天线波导内壁沿纵向分布深度渐变的波纹槽，波纹深度从输入端口的λ_X/4变化至口径处的λ_Ku/4。所提出的天线设计在X波段与Ku波段（7–15 GHz）上同时工作，所考虑的频段为卫星通信系统常用的工作频段。本研究的主要动机在于建立一种确定输入波导半径的严格方法，而非依赖天线设计中常用的经验方法（例如按中心频率λ/4进行近似），此类经验方法无法保证在整个工作带宽内获得充分的阻抗匹配。本研究的理论框架基于圆波导中模式传播条件的分析，通过同时满足基模混合HE₁₁模的传播条件，推导出波纹喇叭天线最优输入半径的解析表达式。该方法还包括确定光滑圆波导馈电段最小所需长度的计算方法，以及评估低于截止频率的倏逝模衰减常数。天线剖面的几何综合包括归一化高斯半径剖面的定义以及波纹结构的配置，波纹深度在对应频段所限定的极限值之间线性变化。解析计算在MATLAB计算环境（MATLAB R2021b（MathWorks, Inc., Natick, MA, USA））中实现，所得到的二维剖面随后通过兼容文件导出至Ansys HFSS仿真环境（Ansys HFSS Electronics v.17.2），并在该环境中对所得三维结构进行电磁视角分析。所提出波纹喇叭天线的性能通过比较两种输入半径确定方法进行评估：经验值r_in = λ/4 = 7.5 mm，以及通过严格的极小化极大（minimax）准则获得的数值r_in = 12.376 mm，该准则根据波导截止频率平衡TE₁₁与TM₁₁模的传播条件。比较基于反射系数S₁₁、以dB表示的天线增益以及轴比进行，以评估所提出的天线是否具备卫星通信应用所需的圆极化特性。天线的性能分别在X波段和Ku波段的上行链路与下行链路频率范围内进行单独评估。分析中考虑的主要性能要求包括：最大辐射方向上的轴比低于3 dB，每个目标频段内增益大于15 dB，以及在工作频率范围至少80%的范围内反射系数低于?10 dB。

**一、研究背景与现存问题**

卫星通信系统要求馈源天线对星载反射器提供对称、均匀的辐射照明。波纹喇叭天线通过在圆波导内壁引入周期性波纹槽，将导体壁转变为等效无限表面阻抗结构，建立混合HE₁₁模，实现对称口径场分布和XPD>30 dB的低交叉极化特性。与光滑壁喇叭（TE₁₁模，照明效率50–55%）相比，高斯剖面波纹喇叭的口径场与基模高斯光束耦合率约98%，照明效率提升至70–80%，副瓣电平可低于?25 dB。X波段（7.25–8.4 GHz）与Ku波段（10.7–14.5 GHz）双频段共用同一馈源可显著降低卫星平台的系统质量、结构复杂度和制造成