一种耐高温宽波束喇叭天线设计

智钢

摘 要：本文介绍了一种喇叭天线，通过减小H面口径宽度，增大了H面的波束宽度；为了增大天线的带宽，采用脊波导的形式并在天线开口端加脊；同时在天线口面加陶瓷介质材料天线罩以达到耐高温的性能。由于天线罩的反射，对天线驻波等性能有很大影响，通过HFSS软件仿真优化，天线增益达到9dB以上，H面-3dB波束宽度达到60度，在10%带宽内匹配良好。

关键词：喇叭天线；脊波导；带宽；增益

0 引言

对喇叭天线进行优化设计，目前比较常用的耐高温的材料有石英玻璃、陶瓷等材料，但是从造价、电性能等方面综合考虑，采用陶瓷材料更加方便[2]。

由于天线的口径与其波束宽度是成反比的，所以为了增加天线的波束宽度，只能减小天线的口径。针对线极化喇叭天线，具体要根据需要增大的是E面或者H面的波束宽度而相应地减小喇叭天线口面的长度或者宽度[3，4]。

1 喇叭天线设计原理

一般来说脊喇叭天线由三部分组成：馈电部分、脊波导部分、喇叭张开部分，为了达到耐高温的性能，还需要在喇叭开口端加上天线罩，其模型如图1所示。各部分的设计原理如下。

（1）馈电部分的设计

馈电部分结构示意图如图2所示，由于脊波导的阻抗很低，经过调整很容易达到50Ω，所以同轴接头2一般选用50Ω的SMA或N型接头。同轴线的外导体连接在波导的侧壁上，并于上面的脊4相连。内导体3穿过上面的脊连接到下面的脊形成短路。最后，在脊波导的后端加一段直波导1，通常长度应小于最高工作频率的半个波长。在这里设计的关键部分是接头的位置距离脊末端的距离，HFSS仿真结果表明，此距离越小，天线的匹配性能越好，所以在实际设计中，在考虑到脊的材料强度的基础上尽量缩短这一距离。

（2）脊波导部分设计

脊波导部分截面示意图如图3所示。波导的横截面尺寸为a×b，脊宽为a1，脊间距b1，波导口径的选择以高端频率来选取，矩形口径直波导加脊后截至频率的计算式为：

C=cosh-2ln

？姿'=2a

=

联合以上三式即可求得截至波长？姿，其中x=b1/b，Cd是关于x的一个不连续性电容的函数，？着是传播媒质的介电常数。

（3）喇叭张开部分设计

喇叭张开部分设计需要考虑三个问题：1、为了扩展H面的波束宽度，H面的喇叭口应该紧缩，但是这样会引起喇叭内电磁波模式的变化，给驻波带来影响，所以紧缩的尺寸大小需要优化；2、因为下一步还会有天线罩的安装，所以需要在天线的口径面上做一些处理以方便天线罩的安装；3、在喇叭张开段脊曲线的设计。

关于第一个问题，经过HFSS软件的优化，可以得到最佳尺寸；关于天线罩安装的问题，在天线口径上扩展一法兰盘，则天线罩就可以通过螺钉与法兰盘连接如图4所示；

脊曲线的求解是脊喇叭设计的关键部分，它是一个指数曲线如图5所示，其数学表达式为：

yx=Ae+Cx

在这里附加的线性项主要是为了增加低频段的带宽，在要求不是超宽带的情形下这项可以去除，这样一来脊曲线的求解就变得简单了。

（4）天线罩的设计

为了达到耐高温的目的，需要用天线罩对天线加以保护，所以天线罩就需要有稳定的高温介电性能。材料的介电性能包括介电常数与损耗角正切，是材料选择的主要依据，损耗角正切越大，则电磁波能量在透过天线罩时由于发热而损耗的能量就越大；介电常数越大，则电磁波在空气与天线罩壁分界面上的反射就越大，从而降低传输效率。所以，理想的天线罩选择应是低介电常数、低损耗角。目前常用的天线罩材料有氧化铝陶瓷、微晶玻璃、堇青石陶瓷、石英陶瓷、氮化硅等。其中石英陶瓷材料的介电常数对频率和温度非常稳定。

喇叭天线的天线罩是安装在开口端的法兰盘上，所以是一种平面结构，靠四个角上的安装孔可以与法兰盘连接，如图6所示。其厚度需要和介电常数综合考虑。

2 仿真结果

依据以上设计，在HFSS中建立的仿真模型如图7所示，通过优化设计，得到其具体尺寸为：喇叭口面10mm×22mm，喇叭轴向长度8mm，天线罩厚度3mm。

由此仿真得到的天线驻波曲线如图8所示，天线的全向方向图如图9，在中心频率H面和E面方向图分别图10、图11。

由以上结果可以看出，天线的增益达到9.5dB以上，H面波束通过缩小方位面的口径宽度有效地得到展宽，在增益0dB以上达到了140度的波束宽度，H面-3dB波束宽度达到60度。由全向方向图可见，天线形成了一种扁圆形的波束形式。

理论上来讲，加上脊以后天线的带宽应该更宽，但是由于口径面的缩小以及天线罩的反射，对驻波产生了很大的影响，通过优化设计以后，天线带宽还是达到了10%以上。

参考文献：

[1]阎涛，丁伟，万继响等 弹载数据链收发天线设计[J]. 微波学报， 2012年S2期

[2]夏明凯，刘谊，侯瑞等 氮化硅材料在空空导弹天线罩上的应用研究[J]. 弹载与制导学报，2014，34（1）：24-26.

[3]燕有杰，刘小龙，蒋廷勇等 加脊TEM喇叭初步研究[J]. 强激光与粒子束，2012，24（9）：2130-2133.

[4]于臻， 余建国，冉小英 H面矩形喇叭天线的仿真与测试[J]. 实验室研究与探索，2013，32（6）：258-262.

摘 要：本文介绍了一种喇叭天线，通过减小H面口径宽度，增大了H面的波束宽度；为了增大天线的带宽，采用脊波导的形式并在天线开口端加脊；同时在天线口面加陶瓷介质材料天线罩以达到耐高温的性能。由于天线罩的反射，对天线驻波等性能有很大影响，通过HFSS软件仿真优化，天线增益达到9dB以上，H面-3dB波束宽度达到60度，在10%带宽内匹配良好。

关键词：喇叭天线；脊波导；带宽；增益

0 引言

对喇叭天线进行优化设计，目前比较常用的耐高温的材料有石英玻璃、陶瓷等材料，但是从造价、电性能等方面综合考虑，采用陶瓷材料更加方便[2]。

由于天线的口径与其波束宽度是成反比的，所以为了增加天线的波束宽度，只能减小天线的口径。针对线极化喇叭天线，具体要根据需要增大的是E面或者H面的波束宽度而相应地减小喇叭天线口面的长度或者宽度[3，4]。

1 喇叭天线设计原理

一般来说脊喇叭天线由三部分组成：馈电部分、脊波导部分、喇叭张开部分，为了达到耐高温的性能，还需要在喇叭开口端加上天线罩，其模型如图1所示。各部分的设计原理如下。

（1）馈电部分的设计

馈电部分结构示意图如图2所示，由于脊波导的阻抗很低，经过调整很容易达到50Ω，所以同轴接头2一般选用50Ω的SMA或N型接头。同轴线的外导体连接在波导的侧壁上，并于上面的脊4相连。内导体3穿过上面的脊连接到下面的脊形成短路。最后，在脊波导的后端加一段直波导1，通常长度应小于最高工作频率的半个波长。在这里设计的关键部分是接头的位置距离脊末端的距离，HFSS仿真结果表明，此距离越小，天线的匹配性能越好，所以在实际设计中，在考虑到脊的材料强度的基础上尽量缩短这一距离。

（2）脊波导部分设计

脊波导部分截面示意图如图3所示。波导的横截面尺寸为a×b，脊宽为a1，脊间距b1，波导口径的选择以高端频率来选取，矩形口径直波导加脊后截至频率的计算式为：

C=cosh-2ln

？姿'=2a

=

联合以上三式即可求得截至波长？姿，其中x=b1/b，Cd是关于x的一个不连续性电容的函数，？着是传播媒质的介电常数。

（3）喇叭张开部分设计

喇叭张开部分设计需要考虑三个问题：1、为了扩展H面的波束宽度，H面的喇叭口应该紧缩，但是这样会引起喇叭内电磁波模式的变化，给驻波带来影响，所以紧缩的尺寸大小需要优化；2、因为下一步还会有天线罩的安装，所以需要在天线的口径面上做一些处理以方便天线罩的安装；3、在喇叭张开段脊曲线的设计。

关于第一个问题，经过HFSS软件的优化，可以得到最佳尺寸；关于天线罩安装的问题，在天线口径上扩展一法兰盘，则天线罩就可以通过螺钉与法兰盘连接如图4所示；

脊曲线的求解是脊喇叭设计的关键部分，它是一个指数曲线如图5所示，其数学表达式为：

yx=Ae+Cx

在这里附加的线性项主要是为了增加低频段的带宽，在要求不是超宽带的情形下这项可以去除，这样一来脊曲线的求解就变得简单了。

（4）天线罩的设计

为了达到耐高温的目的，需要用天线罩对天线加以保护，所以天线罩就需要有稳定的高温介电性能。材料的介电性能包括介电常数与损耗角正切，是材料选择的主要依据，损耗角正切越大，则电磁波能量在透过天线罩时由于发热而损耗的能量就越大；介电常数越大，则电磁波在空气与天线罩壁分界面上的反射就越大，从而降低传输效率。所以，理想的天线罩选择应是低介电常数、低损耗角。目前常用的天线罩材料有氧化铝陶瓷、微晶玻璃、堇青石陶瓷、石英陶瓷、氮化硅等。其中石英陶瓷材料的介电常数对频率和温度非常稳定。

喇叭天线的天线罩是安装在开口端的法兰盘上，所以是一种平面结构，靠四个角上的安装孔可以与法兰盘连接，如图6所示。其厚度需要和介电常数综合考虑。

2 仿真结果

依据以上设计，在HFSS中建立的仿真模型如图7所示，通过优化设计，得到其具体尺寸为：喇叭口面10mm×22mm，喇叭轴向长度8mm，天线罩厚度3mm。

由此仿真得到的天线驻波曲线如图8所示，天线的全向方向图如图9，在中心频率H面和E面方向图分别图10、图11。

由以上结果可以看出，天线的增益达到9.5dB以上，H面波束通过缩小方位面的口径宽度有效地得到展宽，在增益0dB以上达到了140度的波束宽度，H面-3dB波束宽度达到60度。由全向方向图可见，天线形成了一种扁圆形的波束形式。

理论上来讲，加上脊以后天线的带宽应该更宽，但是由于口径面的缩小以及天线罩的反射，对驻波产生了很大的影响，通过优化设计以后，天线带宽还是达到了10%以上。

参考文献：

[1]阎涛，丁伟，万继响等 弹载数据链收发天线设计[J]. 微波学报， 2012年S2期

[2]夏明凯，刘谊，侯瑞等 氮化硅材料在空空导弹天线罩上的应用研究[J]. 弹载与制导学报，2014，34（1）：24-26.

[3]燕有杰，刘小龙，蒋廷勇等 加脊TEM喇叭初步研究[J]. 强激光与粒子束，2012，24（9）：2130-2133.

[4]于臻， 余建国，冉小英 H面矩形喇叭天线的仿真与测试[J]. 实验室研究与探索，2013，32（6）：258-262.

摘 要：本文介绍了一种喇叭天线，通过减小H面口径宽度，增大了H面的波束宽度；为了增大天线的带宽，采用脊波导的形式并在天线开口端加脊；同时在天线口面加陶瓷介质材料天线罩以达到耐高温的性能。由于天线罩的反射，对天线驻波等性能有很大影响，通过HFSS软件仿真优化，天线增益达到9dB以上，H面-3dB波束宽度达到60度，在10%带宽内匹配良好。

关键词：喇叭天线；脊波导；带宽；增益

0 引言

对喇叭天线进行优化设计，目前比较常用的耐高温的材料有石英玻璃、陶瓷等材料，但是从造价、电性能等方面综合考虑，采用陶瓷材料更加方便[2]。

由于天线的口径与其波束宽度是成反比的，所以为了增加天线的波束宽度，只能减小天线的口径。针对线极化喇叭天线，具体要根据需要增大的是E面或者H面的波束宽度而相应地减小喇叭天线口面的长度或者宽度[3，4]。

1 喇叭天线设计原理

一般来说脊喇叭天线由三部分组成：馈电部分、脊波导部分、喇叭张开部分，为了达到耐高温的性能，还需要在喇叭开口端加上天线罩，其模型如图1所示。各部分的设计原理如下。

（1）馈电部分的设计

馈电部分结构示意图如图2所示，由于脊波导的阻抗很低，经过调整很容易达到50Ω，所以同轴接头2一般选用50Ω的SMA或N型接头。同轴线的外导体连接在波导的侧壁上，并于上面的脊4相连。内导体3穿过上面的脊连接到下面的脊形成短路。最后，在脊波导的后端加一段直波导1，通常长度应小于最高工作频率的半个波长。在这里设计的关键部分是接头的位置距离脊末端的距离，HFSS仿真结果表明，此距离越小，天线的匹配性能越好，所以在实际设计中，在考虑到脊的材料强度的基础上尽量缩短这一距离。

（2）脊波导部分设计

脊波导部分截面示意图如图3所示。波导的横截面尺寸为a×b，脊宽为a1，脊间距b1，波导口径的选择以高端频率来选取，矩形口径直波导加脊后截至频率的计算式为：

C=cosh-2ln

？姿'=2a

=

联合以上三式即可求得截至波长？姿，其中x=b1/b，Cd是关于x的一个不连续性电容的函数，？着是传播媒质的介电常数。

（3）喇叭张开部分设计

喇叭张开部分设计需要考虑三个问题：1、为了扩展H面的波束宽度，H面的喇叭口应该紧缩，但是这样会引起喇叭内电磁波模式的变化，给驻波带来影响，所以紧缩的尺寸大小需要优化；2、因为下一步还会有天线罩的安装，所以需要在天线的口径面上做一些处理以方便天线罩的安装；3、在喇叭张开段脊曲线的设计。

关于第一个问题，经过HFSS软件的优化，可以得到最佳尺寸；关于天线罩安装的问题，在天线口径上扩展一法兰盘，则天线罩就可以通过螺钉与法兰盘连接如图4所示；

脊曲线的求解是脊喇叭设计的关键部分，它是一个指数曲线如图5所示，其数学表达式为：

yx=Ae+Cx

在这里附加的线性项主要是为了增加低频段的带宽，在要求不是超宽带的情形下这项可以去除，这样一来脊曲线的求解就变得简单了。

（4）天线罩的设计

为了达到耐高温的目的，需要用天线罩对天线加以保护，所以天线罩就需要有稳定的高温介电性能。材料的介电性能包括介电常数与损耗角正切，是材料选择的主要依据，损耗角正切越大，则电磁波能量在透过天线罩时由于发热而损耗的能量就越大；介电常数越大，则电磁波在空气与天线罩壁分界面上的反射就越大，从而降低传输效率。所以，理想的天线罩选择应是低介电常数、低损耗角。目前常用的天线罩材料有氧化铝陶瓷、微晶玻璃、堇青石陶瓷、石英陶瓷、氮化硅等。其中石英陶瓷材料的介电常数对频率和温度非常稳定。

喇叭天线的天线罩是安装在开口端的法兰盘上，所以是一种平面结构，靠四个角上的安装孔可以与法兰盘连接，如图6所示。其厚度需要和介电常数综合考虑。

2 仿真结果

依据以上设计，在HFSS中建立的仿真模型如图7所示，通过优化设计，得到其具体尺寸为：喇叭口面10mm×22mm，喇叭轴向长度8mm，天线罩厚度3mm。

由此仿真得到的天线驻波曲线如图8所示，天线的全向方向图如图9，在中心频率H面和E面方向图分别图10、图11。

由以上结果可以看出，天线的增益达到9.5dB以上，H面波束通过缩小方位面的口径宽度有效地得到展宽，在增益0dB以上达到了140度的波束宽度，H面-3dB波束宽度达到60度。由全向方向图可见，天线形成了一种扁圆形的波束形式。

理论上来讲，加上脊以后天线的带宽应该更宽，但是由于口径面的缩小以及天线罩的反射，对驻波产生了很大的影响，通过优化设计以后，天线带宽还是达到了10%以上。

参考文献：

[1]阎涛，丁伟，万继响等 弹载数据链收发天线设计[J]. 微波学报， 2012年S2期

[2]夏明凯，刘谊，侯瑞等 氮化硅材料在空空导弹天线罩上的应用研究[J]. 弹载与制导学报，2014，34（1）：24-26.

[3]燕有杰，刘小龙，蒋廷勇等 加脊TEM喇叭初步研究[J]. 强激光与粒子束，2012，24（9）：2130-2133.

[4]于臻， 余建国，冉小英 H面矩形喇叭天线的仿真与测试[J]. 实验室研究与探索，2013，32（6）：258-262.