1～5GHz超宽带双脊喇叭天线的设计

2021-07-05王菲

电子技术与软件工程 2021年10期

王菲

（中国电子科技集团公司第二十研究所陕西省西安市 710068）

1 引言

由于宽带喇叭天线结构简单，方向性好，相位中心稳定，在通信、雷达、电磁兼容和电子对抗等领域得到广泛应用，在微波测量系统中被大量的用作标准测量天线。本文根据宽带波导理论设计了一种频率范围为1GHz～5GHz 的超宽带加脊喇叭天线，测试结果可见全频段内驻波比最大值为2.8，对1.18G、1.33G、2.9G、4.3G 等四个频点进行方向图测试，均具有良好的增益曲线平坦度，测试频点最小增益为4.53dBi，且全频段内方向图均未分裂。

2 喇叭天线的设计

图1 为加脊喇叭天线的结构示意图，天线由激励段、脊波导段、加脊喇叭段组成。本设计中天线的工作频率范围为 1GHz～5GHz，要求喇叭部分截止频率应低于1GHz，且在上述频率范围内膜传输[1]。

图1：宽带加脊喇叭天线结构图

双脊喇叭天线设计中，优化脊波导部分尺寸，可改善馈电端到喇叭口径之间的阻抗匹配。在双脊波导[2]的设计中，波导截面如图2所示，长边和短边分别为a，b，脊宽和脊间距分别为a1，b1。

图2：双脊波导截面图

其中，脊波导的截止频率为：

脊波导的截止波长为：

脊波导的特征阻抗为：

其中，式（3）中的λc 为脊波导截止波长，λ0为自由空间波长，Z∞为λ 趋于零时脊波导的等效阻抗。

由于脊棱边缘电容效应，如式（1）和（2）所示，脊波导主模TE10 模的截止频率比矩形波导TE10 模的截止频率低，而其TE20 模的截止频率比矩形波导的TE20 模的截止频率高。因此，脊波导单模工作的频率很宽。同时因其等效阻抗很低，脊波导一般用来做阻抗变换的过渡结构。

由上，由截止频率λc 得到a1、b1 的初始数据，利用Ansoft HFSS电磁仿真软件建立最初三维仿真模型,对 a1、b1尺寸进行优化,得到λc 所对应的a1、b1 精确值。从同轴馈电端到短路面间的脊波导部分为短路段部分, 该部分对于展宽变换的带宽有着很大作用。本文设计中，结合直波导段的参数建立同轴脊波导变换的三维仿真模型，对馈电点到短路面的距离、短路段的脊高等参数进行优化，得到最优尺寸。

喇叭段尺寸的确定与常规喇叭设计相似，为了避免阻抗变换过程中激起高次模，喇叭的长度应大于天线最低工作波长的一半。当喇叭段的阻抗满足下式时，同轴馈电点阻抗 50Ω 可较好的过渡到喇叭口自由空间阻抗 377Ω。

z0=10∞ekx，0 ≤x ≤l/2

z0=377+z0∞(1‐ek(1‐x))，l/2 ≤x ≤l

其中，l 为喇叭段长度，k 为常数（喇叭两端阻抗的平均值即为喇叭中心阻抗）。因此，喇叭段的双脊结构，其形状曲线一般也为指数形式[4,5]。以下曲线公式中，附加的线性项可拓宽喇叭低频带宽，且可缩短喇叭段的轴长。

y=Aekx+C

与常规双脊喇叭结构相比，本设计中喇叭天线部分去除了喇叭的窄壁部分，其作用是为了减小天线尺寸、降低天线重量、降低驻波比、改善高频方向图波瓣裂变的情况。

3 脊喇叭天线的设计及计算结果

基于以上计算及分析，利用电磁仿真软件Ansoft HFSS，对最初设计模型进行大量仿真优化，最终的双脊喇叭天线最终结构模型如图3所示。

图3：双脊喇叭天线仿真模型

双脊喇叭天线实物如图4所示。天线具体尺寸为：喇叭口面121mm×145mm，波导段底面79mm×40mm，波导段长度38mm，喇叭的轴向长度81.6mm。天线重量约0.8Kg，同轴接头为 N‐50K。

图4：超宽带双脊喇叭天线实物

图5 为仿真计算的驻波比和实测驻波比对照图，仿真带内驻波最大值为2.72，实测带内最大值为2.8，两者基本相当且驻波曲线基本一致，天线相对带宽达到130%。图6至图9给出了1.18G、1.33G、2.9G、4.3G 四个频点增益的仿真和实测曲线对比图。对比可见，增益的实测结果和仿真结果曲线变化趋势基本一致，但低频增益差异较大。仿真结果是理想状态下得到的，而由于加工误差、天线装配导致的结构缝隙、测试场地反射、环境变化等复杂情况都有可能造成增益的变化，使得实际测试与仿真数据不完全吻合。虽然实测和仿真的结果有一定差异，但均未出现波瓣分裂。