0.8~2.5 GHz 雙極化四脊圓錐喇叭天線設(shè)計(jì)

0 引言

喇叭天線由于其多功能性、簡單性和好的輻射性能，在微波測(cè)量、雷達(dá)和探測(cè)系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。展寬喇叭天線工作頻帶，最直接的方法就是在喇叭的波導(dǎo)和喇叭張開部分加入脊結(jié)構(gòu)。脊喇叭天線增益高，阻抗低，體積小，易于和傳輸線連接，適合用在雷達(dá)、電子對(duì)抗設(shè)備以及微波電子器件中。喇叭天線作為饋源組陣時(shí)，圓錐喇叭可以節(jié)省空間，便于控制陣元間距而抑制柵瓣。近來對(duì)加脊喇叭天線分析的文章很多，但是在具體的設(shè)計(jì)方面分析的很少。本文對(duì)設(shè)計(jì)四脊圓錐喇叭天線的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析以及仿真優(yōu)化。加脊的喇叭天線極大地滿足了在寬頻帶天線領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 天線設(shè)計(jì)及優(yōu)化

1.1 天線的設(shè)計(jì)

脊喇叭天線是在喇叭天線的基礎(chǔ)上，通過改變天線的結(jié)構(gòu)來提升輻射性能。該喇叭天線作為饋源組陣，所以在天線設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮喇叭的口徑與陣元間距的關(guān)系，既要避免溢出損耗，又要保證單元尺寸不要超過最大陣元間距而無法排布。

四脊喇叭可以看成兩個(gè)對(duì)稱的雙脊喇叭，通過對(duì)脊波導(dǎo)理論的分析，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)出滿足要求的四脊波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和喇叭內(nèi)脊曲線的形式，最終完成天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

脊喇叭結(jié)構(gòu)如圖1 所示。喇叭饋電采用同軸線饋電，同軸線的內(nèi)外徑設(shè)計(jì)保證和50 Ω匹配。根據(jù)同軸線特性阻抗公式：

$1.。

式中：a 為同軸線內(nèi)導(dǎo)體的直徑;b 為外導(dǎo)體的直徑;εr為導(dǎo)體間填充介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);Z0 為50 Ω的匹配阻抗。

波導(dǎo)段分為脊波導(dǎo)段和脊波導(dǎo)后面的直波導(dǎo)段，脊波導(dǎo)參數(shù)初值采用文獻(xiàn)9的方法確定。直波導(dǎo)濾除脊波導(dǎo)激起的高次模，起著展寬喇叭工作帶寬的作用。

直波導(dǎo)段后面是匹配塊，根據(jù)一般的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，探針距匹配塊距離小于二分之一的最小波長。

最后是喇叭部分和喇叭內(nèi)脊形狀的設(shè)計(jì)，為了使在阻抗轉(zhuǎn)換過程中不激起高次模，喇叭的長度應(yīng)大于二分之一的最大波長，喇叭口徑的大小由天線增益和口徑面相位差確定。脊喇叭天線的脊指數(shù)曲線表達(dá)設(shè)為：

$2.。

式中：A 的值為1/2脊間距;k 的值根據(jù)喇叭內(nèi)脊曲線的終點(diǎn)坐標(biāo)值來確定。

喇叭口徑的理論值約為0.7倍的最大波長，即262 mm,考慮到喇叭作為相控陣饋源，口徑不能設(shè)計(jì)的太大，中和增益和口徑的關(guān)系，脊曲線在口面處截?cái)唷?/p>

1.2 天線的優(yōu)化

設(shè)計(jì)出喇叭的初步尺寸，再利用HFSS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，在優(yōu)化過程中不斷調(diào)整喇叭的尺寸直到達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于喇叭的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要優(yōu)化的參數(shù)比較多，可以固定幾個(gè)參數(shù)，縮小優(yōu)化范圍。主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.1 匹配塊及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

喇叭天線的饋電部分是內(nèi)徑相等的波導(dǎo)，由于脊波導(dǎo)與匹配塊連接部分需要有空隙，采用在匹配塊上開半球形槽的辦法來滿足。同時(shí)在脊波導(dǎo)段上有臺(tái)階設(shè)計(jì)[1],仿真發(fā)現(xiàn)，有臺(tái)階的脊波導(dǎo)對(duì)天線駐波比有很好的影響，通過調(diào)節(jié)臺(tái)階的厚度，達(dá)到優(yōu)化的駐波比。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.2 脊波導(dǎo)內(nèi)脊寬度和脊間距的優(yōu)化

脊的寬度和脊間距對(duì)喇叭天線的工作帶寬有關(guān)鍵作用，設(shè)計(jì)寬頻帶喇叭天線首先要保證饋電波導(dǎo)在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)有好的電特性。脊的終端由尖頂削成平頂，如圖3所示，這樣設(shè)計(jì)是為了減小四個(gè)脊終端之間的相互影響，同時(shí)減小了脊間距，以及使加工方便。

1.2.3 喇叭內(nèi)脊曲線形狀的優(yōu)化

最后將對(duì)脊體的形狀進(jìn)行優(yōu)化，給指數(shù)函數(shù)再加上一個(gè)一次項(xiàng)，可以起到擴(kuò)展頻帶的作用，修正后的脊曲線方程為：

$3.。

脊曲線示意圖如圖4所示。圖中Dy 為喇叭口面的口徑寬度;b 為脊間距;L 為喇叭的長度;C 取經(jīng)驗(yàn)值。

0.02.

2 仿真結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)優(yōu)化步驟，設(shè)計(jì)了一個(gè)在0.8~2.5 GHz頻帶內(nèi)工作，口徑為240 mm,長度為320 mm,其中喇叭段長度為260 mm,波導(dǎo)段口徑為35 mm 的寬頻帶雙極化四脊喇叭，喇叭天線模型如圖5所示。

利用高頻電磁仿真軟件HFSS對(duì)模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6~圖11所示。[!--empirenews.page--]

圖6是雙端口天線在0.8~2.5 GHz頻段上駐波比的變化曲線，其中虛線和實(shí)線分別表示前面(離匹配塊近)和后面(離匹配塊遠(yuǎn))饋電端口的駐波比，由于兩個(gè)饋電位置離匹配塊的距離不一致，引起兩個(gè)饋電端口的駐波比不能保持完全一致。從仿真結(jié)果看兩個(gè)端口的駐波比都達(dá)到小于2的參數(shù)指標(biāo)要求。端口之間的隔離度隨頻率變化的曲線如圖7所示，兩個(gè)端口的隔離度大于40 dB.

從圖8~圖10是幾個(gè)典型頻率點(diǎn)(0.8 GHz,1.5 GHz,2.5 GHz)的二維增益方向圖，實(shí)線和虛線分別表示的是E面和H面方向圖，方向圖的主瓣較寬，沒有出現(xiàn)柵瓣，整個(gè)頻段內(nèi)方向圖保持很好的方向性，天線能量集中。

天線增益隨著頻率變化的曲線如圖11 所示，在0.8~2.5 GHz整個(gè)頻段內(nèi)天線增益大于6 dB,并且隨著

頻率的升高而升高，滿足參數(shù)要求，并且曲線圖符合最優(yōu)喇叭天線結(jié)構(gòu)與增益的理論關(guān)系。設(shè)計(jì)的天線具有良好的輻射性能，高頻段天線沒有發(fā)生定向性偏離和增益下降的現(xiàn)象。

從優(yōu)化仿真的結(jié)果可以看出，四脊喇叭天線在0.8~2.5 GHz整個(gè)頻段內(nèi)駐波比VSWR<2,雙極化端口的隔離度dB(S(2,1))<-40 dB,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，整個(gè)頻段方向圖保持很好的定向性。

3 結(jié)語

本文給出了一個(gè)寬帶四脊圓錐喇叭天線的設(shè)計(jì)方法，采用化四脊圓錐喇叭為雙脊喇叭的方法設(shè)計(jì)了初步模型和參數(shù)初值，仿真總結(jié)了四脊圓錐喇叭天線的主要參數(shù)變化對(duì)駐波比的影響，結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括：波導(dǎo)段的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，脊終端的平頂結(jié)構(gòu)，脊曲線的漸變結(jié)構(gòu)等。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)很好的降低了天線的駐波比，提高了兩個(gè)端口的一致性。利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的0.8~2.5 GHz四脊圓錐喇叭天線駐波比低、隔離度好、方向圖好，可滿足實(shí)際要求，對(duì)工程上設(shè)計(jì)此類天線具有一定的參考價(jià)值。