介质透镜加载的高增益超宽带TEM喇叭天线设计

王钦玉，章社东，赵燕喃

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏南京，210006）

0 引言

近年来，随着无线通信技术的发展，超宽带天线的设计与研究引起了越来越多的研究学者们的关注。在某些工程应用领域，超宽带天线还要求同时具有高增益以及良好的定向性能。TEM（Transverse Electromagnetic Wave，横电磁波）喇叭天线由于结构简单、增益高、定向性好、功率容量大等优点被广泛应用于高功率脉冲辐射系统、超宽带无线通讯以及电磁兼容测量等领域。

目前已有大量文献报道了TEM喇叭的研究工作。文献[1]中提出了一种超宽带高增益TEM喇叭天线，其采用椭圆渐变结构实现超宽带特性，并在天线口径处加载圆弧结构以调控天线口面场分布，比口径未处理前提高了1.2dBi,但是这种方式对天线增益的提高是有限的。文献中，Mustafa Ilarslan等人采用介质填充技术有效地将天线辐射能量束缚在喇叭天线内部，有效地抑制了电磁波的散射以及在喇叭口径处产生的电磁波绕射，改善了TEM喇叭天线的辐射特性。文献[3]-[5],天线口径处加载介质透镜，介质透镜使天线口径处辐射出去的球面波的等相位面经介质透镜的调控后，减小了口径处中心场与边缘场的相位差，改善了TEM喇叭天线高频辐射时方向图主瓣分裂的现象，在整个频段内，天线增益都有所提高。但是当天线辐射时，介质表面会被激励起表面波，增加了辐射损耗，造成辐射效率大大降低，这种方式是以牺牲天线辐射效率为代价的。文献[6]-[7],在天线口径处进行三角弧面延展，并且在天线背部加载反射腔，降低了天线的副瓣电平和后瓣电平，定向性得到一定程度的改善。

本文设计了一种基于组合振子形式的超宽带高增益TEM喇叭天线。对于指数渐变结构的TEM喇叭天线，将下极板设计为等宽结构，并用作上极板的接地板，改善了低频时天线阻抗匹配特性；其针对TEM喇叭天线高频主瓣分裂的问题，通过加载介质透镜的方法将TEM喇叭天线辐射出去的球面波调控为平面波，从而减小天线口径中心与边缘口面场的相位差，改善了天线的高频辐远场辐射特性。

1 天线结构设计与仿真

传统的TEM喇叭天线由两块具有一定张角的三角形金属板构成，其基本原理与平行双导线大体一致。TEM喇叭天线的特性阻抗是随着两导体片之间的距离和宽度的变化而变化的，由50Ω渐变成自由空间阻抗377Ω，从而实现宽带化设计。为了获得较为平缓的阻抗变化，本文选取了两极板之间的距离呈现指数的渐变过程，极板的横向呈现线性的渐变过程，距离d和宽度W的表达式如下：

天线设计设计结构如图1所示，为了改善低频时天线馈电平行板与同轴电缆的阻抗匹配，将下极板设计为等宽的结构，用作上极板的接地板。同时，为了减小天线自身的电抗分量，降低天线品质因数，进一步拓展天线带宽，在天线的上、下和后侧面加载矩形金属板。这些金属板与TEM喇叭天线的上下极板构成小电流环，其辐射机理与磁偶极子等效。这些磁偶极子进一步减小了TEM喇叭天线的电抗分量，降低了天线的品质因数，因此实现了较宽的阻抗匹配。为进一步改善天线的匹配特性，在上极板与矩形金属板之间加载指数渐变的条带结构，其窄边与上极板的窄边重叠，该条带结构从馈电处以指数形式渐变到上极板。此外，可以通过改变该带条的位置和形状对天线的阻抗匹配进行调谐。

图1 天线结构

对TEM喇叭天线设计的过程中发现，TEM喇叭天线口径中心和边缘的口面场由于波程差的缘故出现了相位差。在高频辐射时，电磁波的波长较短，导致波程差增大，相位差也增大，到一定程度后，会产生口面场相位突变进而在远场抵消，导致辐射方向图主瓣的分裂，方向性变差，增益降低。因此，针对TEM喇叭天线高频主瓣分裂的问题，通过加载介质透镜的方法将TEM喇叭天线辐射出去的球面波折射成平面波，从而减小天线口径中心与边缘电磁波的相位差，改善了天线高频辐射时的远场特性。

2 天线加工与实测

对设计的超宽带TEM喇叭天线按表1参数进行加工，然后进行测试测试，天线加工实物如图2所示。介质透镜采用3D打印技术进行加工，打印材料选择的是相对介电常数为2.7的树脂材料。

表1 天线结构参数（mm）

图2 天线加工实物图

使用矢量网络分析仪对安装介质透镜后的TEM喇叭天线进行VSWR测量，图3为测试和仿真的VSWR曲线对比图。从仿真和实测的VSWR曲线可以看出，仿真和实测的VSWR在0.65GHz-20GHz的频带内都小于2.5，达到了31:1的倍频程。实测的VSWR曲线与仿真的VSWR曲线基本吻合，实测的VSWR曲线的波动较大，这是介质透镜对电磁波的反射造成的。

图3 仿真与实测VSWR对比

在微波暗室对该天线进行方向图测量，图4、图5和图6分别为仿真与实测的归一化E面和H面辐射方向图。高频时仿真和实测的结果吻合良好，天线具有良好的定向性。

图4 1GHz时仿真和实测的归一化E面（左）和H面辐射方向图（右）

图5 10GHz时仿真和实测的归一化E面（左）和H面辐射方向图（右）

图6 20GHz时仿真和实测的归一化E面（左）和H面辐射方向图（右）

图7给出了仿真与实测增益对比，从仿真和实测的增益曲线图可以看出，仿真与实测吻合良好，天线增益整体呈现一个上升的趋势。20GHz时，增益达到了最大值，为18.7dBi，并没有出现未加载介质透镜的TEM喇叭天线高频增益下降的现象，由此说明加载介质透镜可以改善TEM喇叭天线的高频特性，提高了TEM喇叭天线的定向性以及增益。

图7 仿真和实测的增益曲线

3 结论

本文将指数渐变TEM喇叭天线的下极板设计为等宽的结构，改善了低频时天线馈电平行板与同轴电缆的阻抗匹配；其次，采用磁偶极子低频补偿技术，通过在天线上、下和后侧面加载矩形金属板，以及在上极板与矩形金属板之间加载匹配带条的方式，设计出一种组合振子形式的超宽带TEM喇叭天线；针对TEM喇叭天线高频主瓣分裂的问题，采用介质透镜的方法改善辐射特性；对上述设计进行仿真优化，并制作了天线实物在微波暗室内进行测试。结果表明，天线在0.65GHz-20GHz的频带内驻波比小于2.5，达到了31:1的倍频程，工作频带内方向图定向特性良好，有效地改善了高频辐射方向图主瓣分裂的现象。对于超宽带高增益TEM喇叭天线的设计具有很好的参考价值。