加载介质透镜的高增益双脊喇叭天线设计

罗永愿，彭 麟，廖 欣

(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004)

0 引言

宽带喇叭天线广泛应用于通信系统、雷达系统、电磁兼容测试系统和标准增益测量,特别是双脊喇叭天线(DRHA)，它是由Kerr 1973年最早提出的。随着无线通信系统的发展，对喇叭天线的带宽提出了更高的要求。为了扩展喇叭天线的带宽，可以在喇叭中引入脊线，文献[5]仿真了1～18 GHz的脊喇叭天线，但是低频部分驻波比大于2。脊状喇叭天线由于体积小、功率高、频带宽、结构简单等优点引起了众多学者的关注。在文献[6]中，四脊喇叭天线的电磁波信号用来检测医学乳腺癌，并用来探测肿瘤。文献[7]中，DRHA作为医学雷达系统可用于成像和诊断。在文献[8]中，DRHA发射的电磁波穿透人体，对人体脂肪层的厚度进行了研究分析。

传统的脊喇叭天线存在低频驻波比大、高频方向图分裂、全频带增益低、口径效率低等缺点。在文献[9]，对1～18 GHz喇叭天线进行了仿真分析,在12 GHz以上的频率，辐射图的主瓣开始分裂为4个副瓣，偏离轴向，因此有一些学者对双脊喇叭天线进行了相应研究与改善。在文献[10]中，通过改变双脊喇叭的脊平滑度，实现了良好的阻抗匹配，同时还使用了介质块来提高性能。文献[11]通过改进脊波导的形状，改进后的脊喇叭可以在1～18 GHz的频率范围内保持单一辐射模式，从而保证了良好的辐射性能。

对于宽带喇叭天线，喇叭口面的相位差较大，导致增益和口径效率较低。一种解决方法是利用超材料进行相位补偿,如文献[12]利用三层螺旋偶极子单元组成的传输阵列，将喇叭发射的球面波转为平面波，从而提高了馈源喇叭天线的增益。另一种方法是在口面处加载全介质透镜,如文献[13]设计了一种梯形全介质透镜，使天线最大增益提高了5 dB。加载超表面的方法设计复杂、加工成本高，而用3D打印技术打印全介质透镜的方法简单、成本低。因此，设计一种全介质透镜加载在脊喇叭上具有重要的意义。

文中设计了1～18 GHz宽带双脊喇叭天线，并在喇叭天线上加载了锥形全介质透镜，透镜采用3D打印技术打印，具有结构简单和加工成本低的优点，总厚度为40.5 mm。通过理论仿真分析设计全介质透镜，结果表明，设计的全介质透镜加载在双脊喇叭天线上实现了高增益和较小的3 dB波束宽度，实测结果表明加载介质的的天线增益提高了1～ 7 dBi，仿真曲线与实测曲线吻合较好，并且最大增益提高7 dBi，辐射性能良好。

2 天线设计分析与仿真实测结果

DRHA的设计包括背部脊波导腔体和喇叭部分的脊线设计和馈电部分的设计。DRHA结构侧面如图1所示，馈电部分用N型同轴连接。为了避免在阻抗转换中激发高阶模，喇叭部分的长度应大于最低工作波长的1/2。由于设计的工作频率范围是1～18 GHz，所以最低工作波长的一半是150 mm，取长度=164.8 mm。脊波导剖面和整体结构如图2所示，背部是用挖斜槽的形式组成的脊波导，整体尺寸××=90 mm×65 mm×20.31 mm。

图1 DRHA的侧视图

图2 脊波导三视图

双脊可以看作是阻抗匹配变换器，使输入端阻抗与喇叭口的空气波阻抗匹配。脊线的设计对喇叭输入端口的阻抗匹配起着重要的作用。当喇叭的阻抗为以下形式时，可实现最佳性能:

(1)

式中:为喇叭截面的长度;为常数;为长度的变量;为无限大频率下脊波导的特性阻抗。通过调整喇叭模型参数，脊线的表达式为:

()=e+

(2)

由式(2)可知，喇叭脊线由系数,,确定。喇叭的口径尺寸为240 mm×134 mm。由于口面中心与两侧相差大，3 dB波束宽度较大。为了减少口面的相位误差,提高天线的辐射性能，设计了一个锥形全介质透镜,加载在双脊喇叭天线上,模型如图3所示。介质相对介电常数为= 2.6。介质总厚=40.5 mm，前厚=6.7 mm，前长=134 mm，前宽=150 mm。

图3 锥形全介质透镜模型

利用等光程原理进行分析，把介质透镜的侧面曲线绘制出来，如图4所示，假设点发出球面波，为了使发出的球面波在介质面上有相同的相位，则应满足：

图4 电磁波在介质透镜的传播

(3)

设点的极坐标为(,),式(3)可写为：

=+(cos-)

(4)

根据几何关系，点(,)的坐标满足：

(+)=+(+)

(5)

当介质透镜侧面曲线满足式(5)时，球面波能在介质表面上汇聚成平面波。仿真得到喇叭焦点在中心频率10 GHz时的向坐标值=87 mm,介质的介电常数约为2.6，进而得到介质的初始形状，优化后当介质透镜形状如图3(b)时，可得到良好的结果。

为了进一步说明介质加载使增益增强的工作机理，对喇叭的电场分布进行观测。图5为16 GHz加载介质与不加载介质的电场强度对比图，从电场分布图可以看出，加载介质透镜后，场分布更趋近于平面波。

图5 (a)未加载介质 (b)加载介质

对喇叭的电场分布进行数据处理和分析。图6是加载透镜后的16 GHz的介质面上的相位分布和不加载透镜的相位分布对比。由图6可以看出，加载介质透镜后，相位差从中心与两侧的340°降低到160°,在16 GHz上的电场相位分布有了较大的改善，很大程度上修正了喇叭口面的相位误差，相位分布较为均匀，在=0 mm附近趋于平面波。因此，加载介质后增益有了明显的提高。

图6 加载与未加载介质透镜沿x轴的相位分布对比

为验证仿真设计的正确性，对天线进行了加工和测试。图7 (a)和图7(b)是天线实物和环境测试。如图8所示，未加载介质时，天线具有较好的反射系数；在加载介质时，实测与仿真的某些频点的反射系数大于-10 dB。不加介质时，喇叭口处可看成是相对介电常数为1的自由空间，加载介质后相对介电常数变大，阻抗匹配稍微变差，实测结果与仿真结果趋势吻合较好。

图7 (a)加载介质喇叭实物 (b)S11环境测试

图8 不加载介质和加载介质的仿真和实测反射系数

加载介质透镜后，喇叭天线的增益得到了提高，3 dB波束宽度减小。通过NSI2000测试系统对天线方向图进行了实测验证，实测环境如图9所示。图10分别给出了2 GHz，4 GHz，7 GHz，10 GHz，12 GHz,15 GHz以及17 GHz的面、面的加载介质与不加载介质的仿真与实测归一化方向图对比。从图10可以看出，加载介质透镜后，方向图的3 dB波束宽度减小，喇叭天线具有更强的定向性。部分频率的实测E面副瓣出现裂瓣现象，可能是测试系统测试时出现抖动引起的。实测增益曲线和仿真增益曲线对比如图11所示，仿真与实测曲线趋势一致，实测增益在1～18 GHz频段范围内加介质与不加载介质的增益对比增加了1～7 dBi，并在4 GHz以上增益稳定提高了约4 dBi，在6 GHz与12 GHz附近的不加介质的实测增益比仿真增益下降2 dBi，但是加载介质后，增益曲线趋于稳定，在11 GHz附近，实测最大增益提高约7 dBi，相对于不加载介质，加载介质后增益有了明显的提高。

图9 实测环境

图10 仿真和实测E面和H面归一化方向图对比

图11 有介质透镜和无介质透镜时的增益曲线对比

表1比较了一些双脊喇叭天线及加载介质的相关文献研究。从表中可以看出，文中设计的加载介质喇叭天线增益大于文献[13，16],实测增益值在低频时未提高，但设计在低频处实测增益值提高了1 dBi左右，且最大提高增益达到7 dBi，在频率相同的条件下，整体尺寸相对于文献[13，17]要小。在不加介质时，对比文献[17]设计的1～18 GHz双脊喇叭天线，虽然增益与波束宽度在整个工作频段内相对较稳定，但总体尺寸相对较大，而文中设计的双脊喇叭天线加载介质后，与没有介质透镜对比，增益有了较大提高。

表1 文中设计与其他文献对比

3 结论

设计了1～18 GHz的双脊喇叭天线，将介质加载到喇叭口面，减小了喇叭口面的相位误差，增强定向性。分析了加载介质提高增益的机理，在工作频率范围内增益值提高了1～7 dBi，增益曲线测量结果与仿真结果吻合较好。使用3D打印技术设计了全介质透镜，具有结构轻，易于加工和成本低的优点，加载到天线使增益值有了明显提高，而且天线整体尺寸相对较小，方向图也有了较大改善。文中的设计具有良好的辐射性能，实现了介质加载的高增益双脊喇叭天线设计，可以应用在要求更高的无线通信、雷达、反射面馈源以及EMC测量系统等领域。