一种新型介质加载喇叭天线设计

2015-04-20王月娟玄晓波

制导与引信 2015年3期

宋诚，王月娟，玄晓波，2

（1.上海无线电设备研究所，上海200090；2.上海市航空航天器电磁环境效应重点实验室，上海200438）

0 引言

在天线的小型化技术中，应用广泛且有效的方法是加载。加载就是在天线适当的位置添加某些元件或网络，通过改变天线中电流的分布来改善天线的性能。常用的无源加载方法有顶部加载、介质加载、集总元件加载等，这些方法不仅能够有效降低天线的谐振频率，还可以展宽天线的工作带宽，是实现天线宽带化和方向图对称性的重要手段。

圆形喇叭天线在很宽的频带内具有良好的方向性和旋转轴对称性［1-2］，且易加工调试。本文在圆形口径喇叭的基础上，提出了一种新型的介质加载圆锥喇叭天线。通过对腔内介质棒的设计，使得天线方向图的旋转轴对称性更好，波束宽度更宽。

1 基本理论与设计

考虑到结构简单且易于加工，采用介质加载形式。

一般在外界的激励下，凡是能够限定电磁能量在由任意形状的电壁或磁壁所限定的结构内产生微波电磁振荡的结构称为电磁谐振器。介质谐振器是一种具有存储能量和选频特性的微波谐振元件。若将电磁波引入介质中，借助电磁波在介质与自由空间的界面的不断反射，形成驻波而产生振荡［3-4］。

本文提出了一种外型渐变的圆形锥削结构介质加载形式。锥削结构可以实现介质棒天线与空气阻抗的较好匹配，从而减小表面波的反射，进而提高天线的有效辐射能力，展宽波束。因为介质棒横截面沿喇叭开口方向线性减小，会逐渐提高电磁波的相速，棒末端的相速逐渐接近光速，从而减弱棒末端的反射。使得沿波导行进的波从被束缚的状态逐渐转换为自由空间波并辐射出去［5］。

喇叭天线可分为矩形口面和圆形口面两大类。表1列出了各类喇叭天线的第一零点之间及半功率点之间的波束宽度。

表中，Lλ矩形口面边长与自由空间波长比值；Dλ圆形口面直径与自由空间波长比值；aEλ喇叭的E 面口径尺寸与自由空间波长比值；aHλ喇叭的H 面尺寸与自由空间波长比值。其中，最优H 面矩形喇叭的波束宽度较圆形口面要宽，但矩形口面喇叭辐射方向图的圆对称性不如圆形口面喇叭［6］。圆锥喇叭天线分为三个部分，分别为圆波导，锥形喇叭，以及外形渐变的加载介质棒，如图1所示，馈电波导口径为2a，圆锥喇叭口面为2b，圆锥喇叭高度为h，探针长度为l，探针距离波导后壁的长度L。

表1 波束宽度比较

图1 加载圆锥喇叭天线侧视图

介质棒材料采用聚四氟乙烯，介电常数为2.1，以渐变锥形表面导引电磁波，实现波束展宽。介质棒下端口与波导口大小一致并填充整个波导腔。馈电方式采用同轴探针馈电。

对于线极化天线，通常圆波导内的电磁场是TE11模，它是圆波导的最低次模。只有当工作波长λ＜3.41a 时，才有TE11模的波在波导内传播，否则没有电磁能量在波导内传播。另外，为了防止其它高次模的产生，工作波长λ还必须大于2.62a，这是因为与TE11模相邻的高次模为TM01，它的截止波长为2.62a。因此当选用圆波导作为馈源时，波导了尺寸一般应满足2.62＜（λ／a）＜3.41，这样就保证波导内只有TE11模的波在传播［7］。综上所述，取波导半径a＝16.5 mm。综合表1 中的圆形口面半功率波瓣宽度与口面半径的关系及馈电点位置距离短路端1／4 波长，可得L＝15 mm，b＝48.5 mm。