8～18GHz 双脊喇叭天线的设计与仿真

2021-03-24周嫄屈乐乐杜新悦张旭

数字技术与应用 2021年1期

周嫄屈乐乐杜新悦张旭

(1.沈阳航空航天大学电子信息工程学院,辽宁沈阳 110136;2.沈阳飞机工业(集团)有限公司,辽宁沈阳 110850)

0 引言

喇叭天线具有结构简单、功率容量大、频带宽、方向图容易控制和易于制造的优点,是微波天线家族中既经典又简单,被广泛应用于微波领域的一种天线。随着微波技术的发展,电磁环境日益复杂,喇叭天线要达到更高的频带范围、更好的定向性。本文根据波导理论设计了一款工作于8～18GHz的双脊喇叭天线,并经过HFSS仿真,得到了较为理想的仿真结果,可以满足更高的工程要求。

1 双脊喇叭天线的结构

喇叭天线通常在结构上分为波导段和喇叭段,波导段内传输的电磁波是TE10波,喇叭段内的场分布十分复杂,有限长喇叭内的场分布通常可以用无限长喇叭内的场分布近似的表示[1]。假设喇叭长度是无限的,喇叭壁是理想导体,喇叭内的介质为空气,基于这些假设采用圆柱坐标系,求解麦克斯韦方程组,就能够解出喇叭内的电磁场分布。

在波导部分和喇叭张开部分中间加入脊结构即是双脊喇叭天线。波导段部分分为后腔和脊波导,后腔可以将波导内被激励起的高次模滤除,脊波导降低了主模传输的截止频率,从而展宽频带宽度。喇叭辐射段部分长度一般大于最低工作频率波长的一半,可以保证高次模不被激起。脊可以看作一个阻抗匹配元件,波导的主模截止波长变大。脊波导具有低阻抗特性,该特性能使波导在与其它类型的传输线连接时,阻抗匹配也更好[2]。加脊喇叭天线要比同频带的一般的喇叭天线体积要小,增益比同频带的一般的喇叭天线要高。

表1 喇叭天线的尺寸Tab.1 Size of horn antenna

2 天线的设计

我们首先需要计算出8～18GHz的双脊喇叭天线的喇叭口径宽度、口径高度以及喇叭长度,还有附带波导的宽度、高度与长度。波导尺寸a、b,要保证波导内只传输TE10的波。如果给定波长 λ,通常取a=0.72 λ。在本设计中,为了节省仿真资源这里我们按照国际标准选取尺寸相近的波导W R 11 2 型号。

计算工作频率对应的波长,将增益和波长值代入到(式1)、(式2)和(式3)中。

其中, εap=0.5。在本设计中,波导长度取5/4个波长。选取波导底部作为激励面,从而形成电场激励方式。详细设计尺寸见表1。

馈电部分为加脊波导,馈电方式为同轴馈电。由于天线使用的频带较宽且最高可达18GHz,本设计使用较细的同轴线,同轴线的内芯直径取Φinner=0.28mm,外导体内径取Φout=0.92mm。

要使阻抗从50Ω(馈电同轴线的阻抗)平滑过渡到377 Ω(自由空间的阻抗),一般选择最大截止波长的一半为初始参数,脊的曲线一般选用指数渐变线。指数渐变线的方程能够用(式4)和(式5)所示:

θ 取值范围为[0,π],r是旋转线圆的半径。变量r值给出之后,经计算得出喇叭天线口径为4r+b1,天线喇叭线段长度为πr,通过协调比例参数可以调节线性长度。根据上文计算得出喇叭段长度8 6 m m,喇叭口径1 0 2 m m×71mm的基础上,推算出半径r=27.5mm。

图1 双脊喇叭天线仿真模型Fig.1 Simulation Model of double ridged horn antenna

3 HFSS仿真模型

本次试验采用的是由美国Ansoft公司研发的高频仿真软件HFSS,该软件能够对三维目标进行全方面分析。该软件依据有限元理论,可求得相对准确的仿真结果,是进行电磁场设计和分析的有力工具[3]。进行目标仿真首先需要建立目标的三维模型,并且按照实际设计设置模型的材料属性和辐射边界, 然后设置目标的剖分尺寸,添加平面波激励,使其符合场特性,最后准确设置参数并进行求解。

按照上文计算得出的双脊喇叭天线的尺寸建立模型(图1),进行求解设置及仿真分析。