基于3D打印技术的梯形凹槽双脊喇叭天线

张 胜，徐 聪，谢振江，王 俊

(1.中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116；2.东南大学 信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室，江苏 南京 211189)

0 引言

随着无线通信的快速发展，加脊喇叭天线凭借其宽带宽、方向性好及频率特性优等特点而得到广泛应用，但天线旁瓣抑制仍是喇叭天线设计中的难点之一。超材料[1]、电磁带隙结构(EBG)[2]和频率选择表面[3]等均可用来调节天线旁瓣，但这些材料和结构在加工制造上较难实现，且制成的天线无法控制远场辐射。凹槽结构可产生表面波和同相辐射，能提高天线方向性，抑制高阶模式和减少辐射场的交叉极化分量，也可用来抑制天线的旁瓣。凹槽效应可用TE或TM表面波阻抗及辐射场的色散关系表征[4]，已被广泛应用于各类天线中[5-6]。

由波导壁张开延伸得到传统的喇叭天线，其结构较简单。为了满足更高的性能要求和更多的应用场景，天线结构变得越来越复杂，传统的加工方法已无法满足喇叭天线的加工要求。3D打印技术具有环保、生产周期短和一次成型等优点，这为现代微波电路加工提供了一条优选途径[7-8]。本文采用3D打印技术设计了带有梯形凹槽的双脊喇叭天线。通过在天线口径面和外侧壁添加两组梯形槽，可有效抑制喇叭外壁上的电流，降低天线旁瓣且增加了天线增益。此外，天线的相对带宽达到67%，空心的喇叭壁结构可使天线质量减少74%。

1 天线的几何结构

本文设计的梯形凹槽双脊喇叭天线尺寸如图1所示。在传统的双脊喇叭天线的基础上，通过增加喇叭段的壁厚来延长电流路径，两组梯形槽分别分布在天线口径面和外侧壁。天线的馈电方式为同轴馈电，材料为AlSi10Mg(导电率为6×105S/m[9])，天线喇叭壁设计成壁厚为1 mm空心结构。天线优化后的结构尺寸：d1=14 mm,d2=13.9 mm,d3=26.3 mm,d4=47.7 mm,d5=9 mm,d6=110 mm,d7=110 mm,d8=1 mm,凹槽宽度W1=5 mm,W2=1 mm,W3=4 mm,W4=3 mm,a1=24.1 mm,a2=44.1 mm,a3=24.1 mm,a4=44.1 mm,b1=20 mm,h1=17 mm,凹槽深度h2=6 mm,Jw=10.3 mm,Ja=4.3 mm。

图1 天线的几何尺寸

2 天线设计原理

角锥喇叭的E面壁是逐渐张开的，电场与E面壁不再垂直，而存在夹角。为了满足金属边界条件，E面壁上会产生指向口径方向的壁电流,但壁电流不会流到喇叭口径面处消失，反而会绕过口径面继续流到外壁。这种存在于外壁的电流易产生旁瓣。虽然H面壁也是逐渐张开的，但由于输入模为TE10模，所以在H面的电场始终近似为0。因此,本文通过在E面壁添加2组梯形凹槽来阻止壁电流，达到降低旁瓣的效果。

图2(a)为本文采用的双脊喇叭天线初始结构图。在5～10 GHz内，该天线增益为7.5～12.4 dBi，如图3(a)所示。天线的脊曲线采用二次方程[10]:

(1)

图2 天线结构图

(2)

(3)

W1≪λ

(4)

式中：λ为波长；n∈Z+。

因为凹槽是提高增益、降低旁瓣的主要途径，所以本文对2组凹槽进行分步优化分析，其主要步骤如下：

1) Set Ⅰ的优化。图3为W2的参数分析。由图3(a)可知，凹槽对高频增益的影响较大。随着W2的减小，高频段内的增益逐渐变大。当W2=1 mm时，增益提高约3.2 dBi。9 GHz时电流分布如图3(b)所示，电流主要分布在凹槽中间和喇叭口周围。电流在凹槽处产生强烈的谐振，减少了流向外侧壁的电流，从而有效地抑制了旁瓣。由图3(c)可知，与无槽天线相比，当W2=1 mm时旁瓣电平降低了7 dB。

图3 W2的参数分析

2) Set Ⅱ的优化。图4为W4的参数分析。由图4(a)可看出，Set Ⅱ可有效地提高低频段的增益，当W4=3 mm时，增益表现最优。7 GHz时电流分布如图4(b)所示，电流主要分布在凹槽两端。由于凹槽两端朝外侧延伸，易造成电流流失，故导致在6.8～7.2 GHz频段内增益小于无槽天线。由图4(c)可知，槽底W4对旁瓣的影响较大。与无槽天线相比，当W4=3 mm时，凹槽天线旁瓣电平小于-18 dB，旁瓣特性比无槽天线提高了约4 dB。

图4 W4的参数分析

3) 总体性能分析。将优化后的2组凹槽同时加入天线，并对4种情况下性能参数进行比较，如图5所示，加槽天线的回波损耗S参数均与无槽天线相吻合。与无槽天线相比，带有2组凹槽天线的低频增益和高频增益分别提高了6 dBi和4 dBi，在整个频段内大于10 dBi。

图5 天线加槽前后的参数对比

为了减少成本和降低天线质量，本文将喇叭壁设计成壁厚为1 mm的空心结构。天线利用EOS M280打印机通过直接金属激光烧结(DMLS)技术进行制作。此款3D打印机使用功率为200 W的激光器，能实现波长约1 μm的激光输出，扫描速度高达7 m/s，能打印的最大器件尺寸为250 mm×250 mm×325 mm；此外，天线的打印精度与打印材料有关。本文使用的打印材料为AlSi10Mg(导电率为6×105S/m)，其加工精度为100 μm，表面粗糙度Ra=15 μm，可打印的最小壁厚为300～400 μm。加工的天线如图6所示。经测量，天线质量由原来的537 g降低到141 g。

图6 天线实物图

3 结果分析

图7为使用KEYSIGHT E5063A网络分析仪对天线进行测量的环境。图8为天线S参数的仿真和测量结果。由图可见，在频率5～10 GHz时，天线的工作带宽优于-10 dB。由于加工精度的原因导致测量结果发生了频率偏移。图9为天线增益的仿真和测量结果。由图9可看出，在整个频段内，天线增益有显著提高。本文提出的天线峰值增益为14.75 dBi，比无槽天线高2.34 dBi。测试结果与模拟结果基本一致。

图7 天线的测量环境

图8 天线S参数的仿真和测量结果

图9 天线增益的仿真和测量结果

图10为远场辐射图。在6 GHz时，E、H面的旁瓣分别减少了2.4 dB和4.2 dB。在7.5 GHz时，旁瓣分别减小11.2 dB和10.6 dB。在9 GHz时，旁瓣分别减小了0.7 dB和9.7 dB。E、H面的交叉极化水平均小于-21 dB。仿真结果与实测值吻合较好，天线旁瓣抑制较好。

图10 天线在不同频率的远场辐射方向图

4 结束语

本文提出了一种基于3D打印技术的双脊喇叭天线。在天线口径面和外侧壁添加2组梯形凹槽结构，实现了降低旁瓣、提高增益的目的。经过仿真分析和实验验证，在工作频带5～10 GHz内，天线拥有较低的旁瓣，天线增益高于10.32 dBi，峰值增益达14.61 dBi。喇叭部分经过中空处理后，天线质量降低了约74%。运用3D打印技术对天线进行加工制作，解决了天线结构复杂且难以加工的问题。该天线具有质量小，成本低及性能高等优点，可广泛应用于卫星通信系统中。