一种超宽带高增益的透镜喇叭天线的设计

乔旭光，姜兆能,2，赵晓燕

(1.合肥工业大学 信息工程系，安徽 宣城 242000；2.毫米波国家重点实验室，江苏 南京 210096)

0 引言

近年来，随着超宽带天线技术在雷达和通信系统中的广泛应用，超宽带天线的需求也逐步增长。其中，喇叭天线是最常用的一种天线结构。喇叭天线具有结构和馈电简单，宽频带，高功率电容和高增益等优点。目前广泛应用于识别和成像，隐形和反隐形，地面目标侦查和短距离无线通信场等领域中。适当选择喇叭天线的尺寸和形状可以实现良好的辐射特性，包括尖锐的主波瓣、低旁波瓣、高增益和低驻波比(VSWR)。喇叭天线不但可以作为独立天线，也可以作为反射面天线的馈源，作为相控阵天线的一般天线单元，或者也可以作为对其他高增益天线进行校准和增益测试的通用标准。

目前已有大量关于喇叭天线的研究，如文献[1]中提出了一种应用于0.2～2.5 GHz的超宽带双脊喇叭天线(DRHA)，采用新的同轴-脊波导转换结构，改善了天线的驻波特性和增益特性。文献[2]介绍了一种用于测试微波暗室中天线方向图，工作在75～500 MHz的双极化宽带喇叭天线。文献[3-5]分析了脊结构对喇叭天线性能的影响。文献[6]提出在不改变天线尺寸和质量的情况下，利用介质透镜消除DRHA的辐射模式恶化问题，同时改善了天线的带宽和增益。

文章在参考以上研究的基础上，提出了在喇叭天线上同时加载金属脊和介质透镜的方法。介质透镜是根据几何光学理论，将天线辐射的能量通过透镜折射汇聚为高增益的波束辐射，从而在增强方向性的同时提高天线的增益，在文中用于改善喇叭天线的性能[7-9]。结果表明,介质透镜的使用能显著提高喇叭天线的增益。

1 天线结构描述

1.1 改进前喇叭天线的结构

图1为喇叭天线的结构。由图可知，该喇叭天线可分为波导、喇叭和馈电3部分。喇叭天线的总长度H为363 mm，开口尺寸(W×L)为260 mm×192 mm。辐射波沿z方向传播。

图1 喇叭天线的结构

同轴波导转换器采用50 Ω同轴线作为馈电(见图2(a))。由于常见波导的阻抗远大于该同轴线的阻抗，内部导体必须远离波导壁以防止阻抗失配。该同轴转换器的具体尺寸如图2(b)所示。同轴线的外部导体与波导相连。波导尺寸L5×W1×H1为27.2 mm×54.8 mm×78 mm。图中,H5为同轴线内轴直径，L1为超出外轴长度，H3为外轴内径，H4为外径，L2为长度。

图2 同轴波导转换结构的尺寸

1.2 加载金属脊和透镜的喇叭天线的结构

由于喇叭天线的主模传输频率范围受到波导尺寸的限制，为了扩大该喇叭天线的带宽，天线在波导两侧使用双楔形金属脊，通过脊波导来降低主模的截止频率，从而在高次模出现前展宽单模工作的频带。与此同时，在喇叭天线顶部加载球面介质透镜，能够有效补偿由于楔形脊的应用造成的喇叭增益下降，而透镜对喇叭天线的带宽的影响几乎可以忽略不计。介质透镜提高增益的机理可以借鉴光学透镜的相关理论来解释。

喇叭天线的辐射分布如图3所示，根据几何光学理论，由馈源O发出的电磁波到达喇叭口径面边缘和口径中心的路径差为

(1)

图3 透镜提高增益的原理图

由于馈源O发出的电磁波到达喇叭口径面的传播路径长度不同，从而造成了喇叭口径面相位差。口径面相位差过大会导致口径面效率降低，增益变小，副瓣升高，甚至会在主瓣上形成凹坑。

根据电磁波在不同介质中的相速、波长与介质的折射率n成反比，选用n>1的介质作为透镜，使电磁波在介质透镜中的波长变短，从而校正喇叭口径面相位差。

由图3可知，球面介质透镜表现为中间厚，两端逐渐变薄，这样电磁波经过透镜后，在天线口面的相位近似相等，成为等相位面，实现天线口面相位差校正。在O点到口径面上任一点光程满足的情况下，O点处的馈源发出的球面波在透镜口径平面上同相。

OP=OQ+n(QQ′)

(2)

该天线的结构如图4所示。矩形波导两侧加载双楔形金属脊，脊的剖面结构为直角三角形结构。喇叭口径面加载球面介质透镜，表现为截取球形介质的一部分嵌入喇叭口径内。透镜的电介质材料为聚四氟乙烯，相对介电常数εr=2.1，n=1.45，介电损耗角tanδ=0.001。介质球体半径为121.25 mm。介质球体球心和喇叭天线的开口面中心相距74.3 mm。楔形金属脊和球面介质透镜的具体结构尺寸如图5所示。经过HFSS软件的仿真，表1为该天线的最优尺寸数值。

图4 带金属脊和透镜的喇叭天线结构

图5 双楔形金属脊和球面介质透镜的具体结构尺寸

表1 天线的最优尺寸参数

2 仿真结果与讨论

2.1 金属脊对喇叭天线带宽和增益的影响

在对上述喇叭天线的结构进行描述后，通过HFSS软件对喇叭天线的参数进行仿真。

首先分析金属脊对喇叭天线带宽的影响。对有金属脊和无金属脊的喇叭天线的驻波系数进行分析(见图6)。其中，“有脊天线”指的是带有双楔形金属脊的喇叭天线，“无脊天线”指的是传统喇叭天线。根据图6分析，金属脊可以将工作频带增加到2～12 GHz，与传统喇叭天线的工作频带宽相比有显著增加。对比喇叭天线在改进前、后的工作频率点的最大增益值如图7所示。由图可知，在增加楔形金属脊后，喇叭天线在一些频率点处的增益明显降低。

图6 有脊天线和无脊天线的驻波比

图7 有脊天线和无脊天线的最大增益值

2.2 透镜对喇叭天线带宽和增益的影响

图8 带金属脊和透镜的喇叭天线的最大增益曲线

为了补偿金属脊对喇叭天线增益的负面影响，利用球面介质透镜校正喇叭口径面相位差来提高天线增益。图8为该天线在工作频带下的最大增益曲线。“加脊加透镜”指的是结合了双楔形金属脊和球面介质透镜的喇叭天线，“无脊无透镜”指的是传统喇叭天线，“带脊天线”指的是只加载双楔形金属脊的喇叭天线。由图8可知，加载介质透镜的喇叭天线增益高于传统喇叭天线，尤其是在6.5 GHz时最大增益提高了2.82 dBi。

图9对喇叭天线的驻波比进行了分析。根据仿真结果，球面介质透镜只增加了喇叭天线在工作频带内的增益，对喇叭天线的驻波比影响不大，其带宽与只加金属脊的天线带宽相同。

图9 带金属脊和透镜的喇叭天线的驻波比

图10分析了改进后喇叭天线在工作频率为6 GHz时的辐射图。对比加脊加透镜改进天线与无脊无透镜传统天线辐射图可以发现，该天线辐射方向图的主波瓣高于传统喇叭天线，且波束宽度有明显改善。

图10 改进后喇叭天线在6 GHz频率下的辐射图

2.3 改进后天线的远场区辐射方向图

为了突出喇叭天线在加载介质透镜后其辐射特性的显著提升，图11、12为使用介质透镜前、后的天线三维辐射方向图。对比图11、12可知，使用透镜后，天线在6 GHz下的最高增益由20.93 dBi提高到22.87 dBi，其主波瓣变窄，副波瓣降低，方向性明显较使用透镜前优异。由此可见，介质透镜的使用改善了喇叭天线的性能。

图11 无透镜喇叭天线在6 GHz下的三维辐射图

图12 带透镜喇叭天线在6 GHz下的三 维辐射图

3 结束语

本文介绍了一种超宽带高增益的喇叭天线，利用双楔形金属脊和球面介质透镜来提高天线的性能。仿真结果表明，该天线的工作频率在2～12 GHz，其驻波比小于2(相对带宽为142.8%)。此外，球面介质透镜在工作频带内有效提高了天线的增益。本文提出的天线适合作为其他宽带应用中的发射天线。在未来的工作中，可以采用其他参考文献中的一些成熟技术来进一步提高天线的性能。