一种工作在W 波段的角锥喇叭天线*

郭 林，黄风义，唐旭升

(东南大学信息科学与工程学院，南京 210096)

在微波毫米波波段，由于波长很小，以线天线为基础的天线系统不再适用。而由于微波的似光性，类似于光学系统的一些天线设备得到了应用。这些天线通常是一个电磁场已知的开口面。口径天线是各类宽带天线中能获得较高增益的一种天线［1－2］。

微波毫米波和准太赫兹波段通常采用口径面天线，在这种天线中场源发出的波通过口径向外绕射，类似于光透过屏上小孔的绕射。口径面天线可以认为是由两个基本部分所组成，一部分用来将高频电流能量转换为电磁波辐射能量，称作馈源，它是终端开口波导、喇叭、振子等弱方向性天线;另一部分用以产生所需要的方向性，如抛物面、双曲面和透镜等［1－2］。

较典型的口径天线有喇叭天线、抛物面天线和透镜天线。其中喇叭天线具有如下优点:较高的增益，较好的方向性，较低的电压驻波比，较好的频率特性，较大的功率容量和简单的结构。喇叭天线通常是由波导激励的开口喇叭［3－5］。

喇叭天线的出现与早期应用可追溯到十九世纪后期，虽然在二十世纪早期人们对它不够重视，但是到了三十年代后期，由于第二次世界大战期间对微波和波导传输线的兴趣，它便开始被发展起来［5－6］。

本文提出了一种工作在W 波段的角锥喇叭天线。利用电磁仿真软件Ansoft HFSS 11 探讨喇叭尺寸和天线性能之间的关系。本文中提出的喇叭天线在75 GHz～110 GHz 工作频段内的回波损耗小于－20 dB，增益大于20 dB，表明该天线具有良好的工作特性。

1 天线设计

一个喇叭天线的工作原理可简述如下:输入电磁场通过波模的激励、传输和控制、利用而到达口面形成口面场，此口面场向空间辐射，在辐射区干涉叠加，形成了辐射场在空间的分布——幅度方向图和相位方向图，并得到与此有关的各项辐射性能。因此，可以将喇叭天线分为三个部分，即:(a)喇叭的激励部分——输入段;(b)波模的激发和传输段;(C)喇叭的辐射端——口面。喇叭的激励，通常用棒激励或孔激励或波导口激励或这些激励的混合。因为常见波导是矩形截面的，所以用它来激励圆形截面喇叭时，需要有设计成线性渐变的或台阶形式的矩一圆过渡器来连接它们。在喇叭内，要研究内场——波模的激发、形式、含量以及传输、控制、利用等;在喇叭外，要研究外场——辐射场，包括幅度方向图、相位方向图、相位中心、波瓣宽度、方向性系数等［1－3］。

对喇叭天线的分析，通常采用近似法，分两步进行:①求喇叭天线的口面场，将喇叭天线延伸为无限长的、侧壁为理想导体的扇形或锥形金属波导。近似认为喇叭天线在口面处的场(即口面场)等于无限长扇形或锥形金属波导中相应位置的场;②求喇叭天线的口面辐射场，由喇叭天线的口面场求喇叭天线的口面辐射场。

矩形喇叭天线主要有:由矩形波导的H 平面(即波导的宽边)逐渐展开而成的H 面扇形喇叭，由矩形波导的E 平面(即波导窄边)逐渐展开而成的E 面扇形喇叭和由矩形波导的E 平面和H 平面(即波导的窄边和宽边)，同时逐渐展开而成的角锥形喇叭。

本文所设计的就是角锥形喇叭，其结构示意图及结构尺寸如图1所示。喇叭天线有很多参数，可以应用这些参数来设计各种最佳喇叭。本文选用最佳增益天线法，即在满足指标前提下，使喇叭几何尺寸量最小。

图1 角锥喇叭结构及尺寸

要得到最佳增益天线，H 面扇形喇叭应该满足的尺寸关系为:

E 面扇形喇叭应该满足的尺寸关系为:

角锥喇叭要达到最优尺寸关系，喇叭长度与口径尺寸需同时满足式(1)和式(2)。最优角锥喇叭天线的增益为:

其中εap为喇叭天线的口径效率［3－6］。

为了得到天线的最佳尺寸，采用Ansoft HFSS 11对天线进行了仿真计算。天线的仿真模型如图2所示。由式(3)可知，在喇叭天线口径效率一定的条件下，天线的增益和口径大小成正比，但实验表明过度增大口径会导致波束过窄、波瓣分裂和旁瓣增大等一系列问题。经过多次优化，得到的最优天线结构参数如表1所示。

图2 角锥喇叭仿真模型

2 天线设计结果

本文采用基于有限元分析的计算电磁仿真软件Ansoft HFSS 11 对天线进行仿真，并按照表1所述的尺寸加工、测试，最终制作的天线实物如图3所示。天线采用WR－10 型号的波导馈电，法兰型号为UG387。

从图4 中可以看出，天线的回波损耗在75 GHz～110 GHz 频段内优于－20 dB，测量结果与计算仿真结果吻合较好，表明天线在W 波段具有良好的频率特性。

图3 角锥喇叭天线

图4 天线的回波损耗

阻抗带宽并不足以说明天线的实际带宽，必须对天线不同工作频率下的方向图进行测试才能确定方向图带宽。方向图的测量在微波暗室中进行。在测量远区场辐射特性的基础上，利用标准喇叭天线可以计算出天线的增益。图5所示的是天线在工作频段内的增益特性。从测试结果可见，天线在整个频段内基本具有比较平坦的增益特性，平均增益大约为20 dB～25 dB 左右。

天线在90 GHz 的辐射方向图如图6所示。可以看出，天线在90 GHz 的增益约为23 dB，而且E面和H 面3 dB 的波瓣宽度大致相等。

图5 天线的增益特性

图6 天线的辐射方向图

3 结论

本文提出了一种利用工作在W 波段的角锥喇叭天线，天线采用波导馈电。利用电磁场仿真软件Ansoft HFSS 11 对天线进行仿真优化，并加工、测试。该天线具有很宽的阻抗带宽，在75 GHz～110 GHz 频段内天线回波损耗优于－20 dB，增益高于20 dB，具有良好的频率特性和定向辐射性能。

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