一种三波段通用的高增益双脊喇叭天线∗

李炜杰 李尚生 付哲泉 邹翰锋

（海军航空工程学院烟台264001）

一种三波段通用的高增益双脊喇叭天线∗

李炜杰 李尚生 付哲泉 邹翰锋

（海军航空工程学院烟台264001）

介绍了一种可用于C、X、Ku波段的雷达接收系统的双脊喇叭天线，该天线体积小、频带宽且增益高。根据天线的结构分析了脊波导、喇叭段尺寸及喇叭脊结构曲线的相关性质，给出了天线相关参数的计算方法。仿真结果表明，在5～18GHz的带宽内输入回波损耗小于-9dB，在6GHz、10GHz、15GHz这三个频点上，天线增益均大于15dB，且没有明显的主瓣分裂。

双脊喇叭；脊波导；脊结构曲线；通用；高增益

Class NumberTN955+.1

1 引言

某型检测系统的核心部件是主动雷达，为了实现通用化目标，在检测系统雷达接收机中需要采用满足带宽需要且增益足够高的天线［1］。根据主动雷达的功能、技术指标和检测流程，确定天线的主要技术指标如下：

1）工作频段：5GHz～18GHz；

2）H面主瓣宽度：在6GHz、10GHz、15GHz频点上2θ0.5H≥14°；

3）天线增益：在6GHz、10GHz、15GHz频点上G≥5dB；

4）极化方式：垂直极化。

双脊喇叭天线具有超宽带、高增益、大功率、方向性良好等特点，能较好地满足所需天线的指标要求［2］。依据双脊喇叭天线的设计原理，本文利用电磁仿真软件设计和仿真了一副三波段通用的高增益双脊喇叭天线，实现了通用化目标。

2 双脊喇叭天线结构的设计原理和方法

双脊喇叭天线的结构如图1所示，可以分为波导段和喇叭段两部分。

波导段采用双脊波导，降低主模传输的截止频率，以便在高次模出现之前，展宽单模工作的频带宽度，实现天线宽频特性。

喇叭段分为双脊结构和喇叭部分。双脊结构的功能是改善馈电端到喇叭口径之间的阻抗匹配。

图1双脊喇叭结构示意图

2.1 脊波导部分的设计

双脊喇叭天线的双脊波导截面尺寸如图2所示。

图2双脊波导截面尺寸

波导中的双脊结构作为不连续结构，对传输的电磁波会产生影响，除了传输基模TE10外，还会激励出高次模。在计算过程中，不连续结构可以在合理位置等效为电纳，而当传输的电磁波为基模时，电纳表现电容特性。单位长度的双脊波导等效电路可以表示为电容电感的并联形式［3］。等效电路中电容C由静电电容CS和不均匀电容Cd组成。

单位长度的CS可由下式近似得到：

ε是波导中媒质的介电常数，在自由空间中其等于8.854×10-12F/m。

通过文献［4］中介绍的场匹配法，得到不均匀电容Cd主要由阶梯比b2b1决定：

其中x=b2b1。

因此，单位长度的双脊波导电容C为

等效电路中的电感是由双脊结构两侧的波导决定的。波导单位长度的电感L′可由下式给出：

式中μ是自由空间磁导率，取值4π×10-7H/m。

由此可得主模的截止频率为

式（6）可做变换为

根据式（7）可描绘出双脊波导截止波长λ′与

c波导宽边长a1之比随a2a1变化的曲线。文献［5］指出，当2b1/a1=0.5时，双脊波导的主模截止频率最低，此时频带最宽且相对功率容量最大，如图3所示。从图3中可知，不同尺寸的双脊波导的截止波长与宽边长之比均大于2，即双脊波导的截止波长λc′都大于矩形波导的截止波长2a1，由此可得出结论，在引入双脊结构后，波导的主模截止频率会出现明显的降低。同理可得2b1/a1=0.5时双脊波导TE20模的截止波长λc″与宽边长之比随a2a1变化的曲线，如图4所示。

图3波导主模截止波长与波导宽边长之比

图4波导TE20模截止波长与波导宽边长之比

要有效地提高单模工作带宽，就需要令主模的截止波长变长，高次模的截止波长变短［6］。从图3中可以看出，主模截止波长与宽边长之比的极大值出现在a2a1=0.45附近，但图4显示，TE20模截止波长与宽边长之比的极小值却出现在a2a1=0.2附近，作综合考虑后决定取a2a1=0.25，令b2b1=0.2，则可以从图3中得到λc′a1≈3.74，从图4中得到λc″a1≈0.86。根据天线频带5GHz～18GHz的要求，求得主模截止波长为λc′=60mm，TE20模截止波长λc″=16.7mm。由此可以求出波导宽边长度a1∈[16，19.4]mm，于是有波导窄边长度2b1∈[8，9.7]mm，脊宽长度a2∈[4，4.85]mm，脊间距长度2b2∈[1.6，1.94]mm。综合考虑各项指标要求，选取双脊波导尺寸为a1=19.1mm，a2=4.78mm，2b1=8.2mm，2b2=1.6mm。

2.2 喇叭段部分的设计

根据双脊矩形波导特性阻抗计算公式［7］可得：

其中，Ze∞为频率无限大时脊波导的等效阻抗。根据式（2）可求得2Cdε≈8(F m)，结合式（8）和双脊波导尺寸可进一步求得Ze=77Ω。

喇叭段中的脊结构呈指数曲线变化，从而使阻抗从脊波导的77Ω变换到喇叭口径处自由空间的阻抗377Ω，并且保证在整个喇叭内阻抗的平滑过渡。根据图1可得喇叭段脊结构沿着长度z，其阻抗Z(z)表示为如下形式［8］：

其中，k为常数，L为喇叭段总长。

根据式（9）可得喇叭脊的形状曲线表达如下

上式中的C可以起到扩展频带宽的作用，通常由喇叭段与波导段连接处的双脊间距2b2决定［9］，有C=b2/2。系数k可由式（10）确定。喇叭中点处的阻抗ZL2可近似为

结合式（9～10）可得近似的阻抗渐变的脊形状曲线为

根据喇叭长度应大于最低工作频率对应波长的一半（5GHz对应工作波长为60mm）及喇叭中点的阻抗为两端阻抗的均值要求［10］，选取喇叭长度L=245mm，根据式（12）可求得喇叭口径宽度2y(z=L)≈159mm。为了获得更大的天线增益以及天线H面上更大的主瓣宽度，选取喇叭口径长为280mm。

3 仿真结果

基于以上喇叭天线的理论分析，利用电磁仿真软件HFSS，设计了如图5所示的双脊喇叭天线［11］。

图5双脊喇叭天线仿真模型

得到5GHz～18GHz频带内输入反射系数曲线（图6），6GHz、10GHz、15GHz频点上的增益曲线图（图7～图9）和15GHz处三维方向图（图10）。

图6双脊喇叭天线输入反射系数曲线

图7天线在6GHz频点处的增益曲线图

图8天线在10GHz频点处的增益曲线图

图9天线在15GHz频点处的增益曲线图

图10天线在15GHz处波束的三维方向图

图6显示，在5GHz～18GHz频段内，天线输入反射系数小于-9dB，满足天线对频带宽度的要求［12］。

图7～图9显示，天线在6GHz、10GHz、15GHz频点上增益均大于15dB，H面主瓣宽度均大于14°。图10显示，在高频点处天线仍具有良好的方向性，没有出现明显的主瓣分裂现象。

仿真结果表明，设计的双脊喇叭天线能很好地满足该主动雷达对天线的指标要求。

4 结语

利用双脊喇叭天线的设计原理设计的5GHz～18GHz宽带的双脊喇叭天线，在整个频段内输入反射系数均小于-9dB，满足C波段、X波段、Ku波段通用需求，同时在雷达各个波段的常用频点6GHz、10GHz、15GHz上，具有较高增益、较宽主瓣波束以及良好的方向性。所设计的天线能很好地满足某型检测系统在检测过程中雷达接收系统的各项指标要求，且三波段通用，符合微波器件对通用化的需求。该双脊喇叭天线的设计可以为其他检测系统各型微波器件的设计作参考。

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A Three-band High-gain Universal Double-ridged Horn Antenna

LI WeijieLI ShangshengFU ZhequanZOU Hanfeng
（Naval Aeronautical Engineering Institute，Yantai264001）

This paper introduces the double-ridged horn antenna which can be used in C，X，Ku-band radar receiving sys⁃tem，the antenna has small volume，wide frequency bandwidth and high gain.According to the structure of the antenna analysis of the relevant properties of ridge waveguide，horn and horn ridge structure segment size curve，the calculation method of the anten⁃na-related parameters is given.Simulation results show that the input return loss is less than-9dB within 5～18GHz bandwidth，and at 6GHz，10GHz，15GHz frequencies，the antenna gain is greater than 15dB，and there is no clear division of the main lobe.

double ridge horn，ridge waveguide，ridge structure curve，general，high gain

TN955+.1

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.014

2017年1月10日，

2017年2月20日

电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室课题（编号：CEMEE2016G0201）资助。

李炜杰，男，硕士研究生，研究方向：目标探测技术。李尚生，男，硕士，教授，研究方向：目标探测技术。付哲泉，男，博士研究生，研究方向：目标探测技术。邹瀚锋，男，硕士研究生，研究方向：目标探测技术。