一種新型介質(zhì)加載喇叭天線設(shè)計(jì)

宋 誠(chéng)， 王月娟， 玄曉波，2

（1.上海無線電設(shè)備研究所，上海200090；2.上海市航空航天器電磁環(huán)境效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200438）

0 引言

在天線的小型化技術(shù)中，應(yīng)用廣泛且有效的方法是加載。加載就是在天線適當(dāng)?shù)奈恢锰砑幽承┰蚓W(wǎng)絡(luò)，通過改變天線中電流的分布來改善天線的性能。常用的無源加載方法有頂部加載、介質(zhì)加載、集總元件加載等，這些方法不僅能夠有效降低天線的諧振頻率，還可以展寬天線的工作帶寬，是實(shí)現(xiàn)天線寬帶化和方向圖對(duì)稱性的重要手段。

圓形喇叭天線在很寬的頻帶內(nèi)具有良好的方向性和旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱性［1-2］，且易加工調(diào)試。本文在圓形口徑喇叭的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的介質(zhì)加載圓錐喇叭天線。通過對(duì)腔內(nèi)介質(zhì)棒的設(shè)計(jì)，使得天線方向圖的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱性更好，波束寬度更寬。

1 基本理論與設(shè)計(jì)

考慮到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于加工，采用介質(zhì)加載形式。

一般在外界的激勵(lì)下，凡是能夠限定電磁能量在由任意形狀的電壁或磁壁所限定的結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生微波電磁振蕩的結(jié)構(gòu)稱為電磁諧振器。介質(zhì)諧振器是一種具有存儲(chǔ)能量和選頻特性的微波諧振元件。若將電磁波引入介質(zhì)中，借助電磁波在介質(zhì)與自由空間的界面的不斷反射，形成駐波而產(chǎn)生振蕩［3-4］。

本文提出了一種外型漸變的圓形錐削結(jié)構(gòu)介質(zhì)加載形式。錐削結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)棒天線與空氣阻抗的較好匹配，從而減小表面波的反射，進(jìn)而提高天線的有效輻射能力，展寬波束。因?yàn)榻橘|(zhì)棒橫截面沿喇叭開口方向線性減小，會(huì)逐漸提高電磁波的相速，棒末端的相速逐漸接近光速，從而減弱棒末端的反射。使得沿波導(dǎo)行進(jìn)的波從被束縛的狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換為自由空間波并輻射出去［5］。

喇叭天線可分為矩形口面和圓形口面兩大類。表1列出了各類喇叭天線的第一零點(diǎn)之間及半功率點(diǎn)之間的波束寬度。

表中，Lλ矩形口面邊長(zhǎng)與自由空間波長(zhǎng)比值；Dλ圓形口面直徑與自由空間波長(zhǎng)比值；aEλ喇叭的E 面口徑尺寸與自由空間波長(zhǎng)比值；aHλ喇叭的H 面尺寸與自由空間波長(zhǎng)比值。其中，最優(yōu)H 面矩形喇叭的波束寬度較圓形口面要寬，但矩形口面喇叭輻射方向圖的圓對(duì)稱性不如圓形口面喇叭［6］。圓錐喇叭天線分為三個(gè)部分，分別為圓波導(dǎo)，錐形喇叭，以及外形漸變的加載介質(zhì)棒，如圖1所示，饋電波導(dǎo)口徑為2a，圓錐喇叭口面為2b，圓錐喇叭高度為h，探針長(zhǎng)度為l，探針距離波導(dǎo)后壁的長(zhǎng)度L。

表1 波束寬度比較

圖1 加載圓錐喇叭天線側(cè)視圖

介質(zhì)棒材料采用聚四氟乙烯，介電常數(shù)為2.1，以漸變錐形表面導(dǎo)引電磁波，實(shí)現(xiàn)波束展寬。介質(zhì)棒下端口與波導(dǎo)口大小一致并填充整個(gè)波導(dǎo)腔。饋電方式采用同軸探針饋電。

對(duì)于線極化天線，通常圓波導(dǎo)內(nèi)的電磁場(chǎng)是TE11模，它是圓波導(dǎo)的最低次模。只有當(dāng)工作波長(zhǎng)λ＜3.41a 時(shí)，才有TE11模的波在波導(dǎo)內(nèi)傳播，否則沒有電磁能量在波導(dǎo)內(nèi)傳播。另外，為了防止其它高次模的產(chǎn)生，工作波長(zhǎng)λ還必須大于2.62a，這是因?yàn)榕cTE11模相鄰的高次模為TM01，它的截止波長(zhǎng)為2.62a。因此當(dāng)選用圓波導(dǎo)作為饋源時(shí)，波導(dǎo)了尺寸一般應(yīng)滿足2.62＜（λ／a）＜3.41，這樣就保證波導(dǎo)內(nèi)只有TE11模的波在傳播［7］。綜上所述，取波導(dǎo)半徑a＝16.5 mm。綜合表1 中的圓形口面半功率波瓣寬度與口面半徑的關(guān)系及饋電點(diǎn)位置距離短 路 端1／4 波 長(zhǎng)，可 得L＝15 mm，b＝48.5 mm。

2 仿真及測(cè)試結(jié)果

采用Ansoft HFSS 軟件對(duì)該喇叭進(jìn)行建模仿真，依次對(duì)該喇叭天線的探針饋電點(diǎn)位置、深度及漸變介質(zhì)塊橫截面半徑等進(jìn)行優(yōu)化，得到了天線的最佳尺寸：a＝15.6 mm，h＝75 mm，l＝22.2mm，L＝15.6m。

在所需頻帶內(nèi)該天線的駐波系數(shù)曲線如圖2所示，該介質(zhì)加載圓波導(dǎo)喇叭天線在頻帶內(nèi)有較好的匹配，駐波系數(shù)均小于1.5。

圖2 介質(zhì)加載圓錐喇叭天線駐波系數(shù)仿真圖

圖3、圖4為傳統(tǒng)的波導(dǎo)喇叭天線及介質(zhì)加載的圓波導(dǎo)喇叭天線的E面、H 面輻射方向圖。

圖3 未加載與加載天線E面輻射方向圖

圖4 未加載與加載天線H 面輻射方向圖

由圖3與圖4可見加載天線的方向圖的E面與H 面3dB波束寬度分別為45°、43°，8dB波束寬度分別為74°、73°；而未加載的天線的E 面與H 面3dB 波束寬度分別僅為31°、26°，8dB 波束寬度分別僅為50°、43°。顯然加載喇叭天線具有較寬的方向圖。

圖5為介質(zhì)加載圓波導(dǎo)喇叭天線的實(shí)物照片。天線駐波系數(shù)與方向圖測(cè)試結(jié)果如圖6 與圖7 所示。測(cè)試結(jié)果表明，在4.1 GHz～5.3GHz頻帶內(nèi)有較好的匹配，駐波系數(shù)均小于1.5。天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方向圖的半功率寬度為45°。增益為12.1dB，測(cè)試結(jié)果與仿真值的偏差為3%。

圖5 介質(zhì)加載圓波導(dǎo)喇叭天線的實(shí)物

圖6 天線駐波測(cè)試曲線

圖7 天線的增益測(cè)試方向圖

3 結(jié)束語

本文提出了一種新型的介質(zhì)加載波導(dǎo)喇叭天線。仿真及測(cè)試結(jié)果表明該天線具有波束寬、軸對(duì)稱性好等優(yōu)點(diǎn)，且兼?zhèn)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、易于加工調(diào)試等特點(diǎn)。

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