0.8~2.5 GHz 雙極化四脊圓錐喇叭天線設計

0 引言

喇叭天線由于其多功能性、簡單性和好的輻射性能，在微波測量、雷達和探測系統(tǒng)中有廣泛的應用。展寬喇叭天線工作頻帶，最直接的方法就是在喇叭的波導和喇叭張開部分加入脊結構。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、電子對抗設備以及微波電子器件中。喇叭天線作為饋源組陣時，圓錐喇叭可以節(jié)省空間，便于控制陣元間距而抑制柵瓣。近來對加脊喇叭天線分析的文章很多，但是在具體的設計方面分析的很少。本文對設計四脊圓錐喇叭天線的關鍵參數(shù)進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域的應用。

1 天線設計及優(yōu)化

1.1 天線的設計

脊喇叭天線是在喇叭天線的基礎上，通過改變天線的結構來提升輻射性能。該喇叭天線作為饋源組陣，所以在天線設計過程中應綜合考慮喇叭的口徑與陣元間距的關系，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對稱的雙脊喇叭，通過對脊波導理論的分析，根據(jù)設計參數(shù)指標的要求，設計出滿足要求的四脊波導的結構和喇叭內(nèi)脊曲線的形式，最終完成天線結構的設計。

脊喇叭結構如圖1 所示。喇叭饋電采用同軸線饋電，同軸線的內(nèi)外徑設計保證和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)導體的直徑;b 為外導體的直徑;εr為導體間填充介質的相對介電常數(shù);Z0 為50 Ω的匹配阻抗。

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

直波導段后面是匹配塊，根據(jù)一般的設計經(jīng)驗，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)脊形狀的設計，為了使在阻抗轉換過程中不激起高次模，喇叭的長度應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)曲線表達設為：

$2.。

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

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，口徑不能設計的太大，中和增益和口徑的關系，脊曲線在口面處截斷。

1.2 天線的優(yōu)化

設計出喇叭的初步尺寸，再利用HFSS軟件進行仿真優(yōu)化，在優(yōu)化過程中不斷調(diào)整喇叭的尺寸直到達到預期設計目標。由于喇叭的結構較復雜，需要優(yōu)化的參數(shù)比較多，可以固定幾個參數(shù)，縮小優(yōu)化范圍。主要從以下幾個方面進行優(yōu)化。

1.2.1 匹配塊及波導結構的優(yōu)化

喇叭天線的饋電部分是內(nèi)徑相等的波導，由于脊波導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。同時在脊波導段上有臺階設計[1],仿真發(fā)現(xiàn)，有臺階的脊波導對天線駐波比有很好的影響，通過調(diào)節(jié)臺階的厚度，達到優(yōu)化的駐波比。結構如圖2所示。

1.2.2 脊波導內(nèi)脊寬度和脊間距的優(yōu)化

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

1.2.3 喇叭內(nèi)脊曲線形狀的優(yōu)化

最后將對脊體的形狀進行優(yōu)化，給指數(shù)函數(shù)再加上一個一次項，可以起到擴展頻帶的作用，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)驗值。

0.02.

2 仿真結果

根據(jù)上述設計優(yōu)化步驟，設計了一個在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對模型進行仿真，仿真結果如圖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，其中虛線和實線分別表示前面(離匹配塊近)和后面(離匹配塊遠)饋電端口的駐波比，由于兩個饋電位置離匹配塊的距離不一致，引起兩個饋電端口的駐波比不能保持完全一致。從仿真結果看兩個端口的駐波比都達到小于2的參數(shù)指標要求。端口之間的隔離度隨頻率變化的曲線如圖7所示，兩個端口的隔離度大于40 dB.

從圖8~圖10是幾個典型頻率點(0.8 GHz,1.5 GHz,2.5 GHz)的二維增益方向圖，實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)喇叭天線結構與增益的理論關系。設計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)化仿真的結果可以看出，四脊喇叭天線在0.8~2.5 GHz整個頻段內(nèi)駐波比VSWR<2,雙極化端口的隔離度dB(S(2,1))<-40 dB,滿足設計指標要求，整個頻段方向圖保持很好的定向性。

3 結語

本文給出了一個寬帶四脊圓錐喇叭天線的設計方法，采用化四脊圓錐喇叭為雙脊喇叭的方法設計了初步模型和參數(shù)初值，仿真總結了四脊圓錐喇叭天線的主要參數(shù)變化對駐波比的影響，結構優(yōu)化包括：波導段的臺階結構，脊終端的平頂結構，脊曲線的漸變結構等。優(yōu)化后的結構很好的降低了天線的駐波比，提高了兩個端口的一致性。利用電磁仿真軟件HFSS對參數(shù)及結構進行仿真，仿真結果表明，本文設計的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，可滿足實際要求，對工程上設計此類天線具有一定的參考價值。