L型波紋太赫茲喇叭天線

潘 武，李 選，尹 霞，承 皓

?

L型波紋太赫茲喇叭天線

潘 武，李 選，尹 霞，承 皓

（重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065）

本文提出了一款高增益、低旁瓣的L型波紋太赫茲喇叭天線。該天線工作于太赫茲第一個(gè)大氣窗口，由波導(dǎo)段、模式變換段和輻射段三部分組成，在模式變換段和輻射段內(nèi)壁引入波紋結(jié)構(gòu)，利用控制變量法分析L型波紋喇叭天線模式變換段的波紋數(shù)目和輻射段每個(gè)波長內(nèi)的周期數(shù)目對天線輻射特性的影響。分析結(jié)果表明：該波紋喇叭天線在工作頻率為320～380GHz范圍內(nèi)增益均大于21.7dB，其3dB主瓣寬度都小于15.2°。該天線滿足高增益、低旁瓣的要求，適用于太赫茲通信系統(tǒng)。

太赫茲；L型波紋；喇叭天線

0 引言

太赫茲波（Terahertz，THz）是指頻率在0.1～10THz范圍內(nèi)的電磁波，波長在0.03～3mm的范圍內(nèi)，介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間[1]。隨著對太赫茲波研究的不斷深入，太赫茲技術(shù)可應(yīng)用于THz時(shí)域光譜分析（THz-TDS）、THz成像、安全檢查、材料科學(xué)、天文學(xué)以及通信等諸多方面[2-3]。

在THz通信系統(tǒng)中，喇叭天線既可以作為反射面天線和透鏡天線的饋源，也可以用作直接輻射的獨(dú)立天線使用，因此，喇叭天線成為太赫茲通信系統(tǒng)中非常重要的器件。普通的圓錐喇叭天線在其終端開口處會有部分電流由其內(nèi)壁流向外壁，從而影響天線的性能。為了阻止電流向外壁流出，在光壁圓錐喇叭天線上刻波紋槽，就形成了波紋喇叭天線。同圓錐喇叭天線相比，它可以減少邊緣繞射，改善方向圖的對稱性并且減小交叉極化電平等性能。因此，波紋設(shè)計(jì)直接影響波紋喇叭天線的性能。2014年，Pedro A.G. Soares等人采用軸向波紋與高斯波紋相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了一款高性能的波紋喇叭天線[4]，該天線的增益達(dá)到23dB，旁瓣電平低于－35dB，且交叉極化電平達(dá)到－45dB。2014年，Tajima T等人采用低溫共燒陶瓷（LTCC）設(shè)計(jì)了一款300GHz臺階波紋喇叭天線[5]，該天線的增益達(dá)到18dB，S11小于－10dB，帶寬為100GHz。2015年，Hong-da Lu等人設(shè)計(jì)了一款低波紋喇叭天線[6]，該天線采用標(biāo)準(zhǔn)的WR-2.2波導(dǎo)，波紋為四個(gè)V型槽，利用硅片進(jìn)行微加工而成。在480～500GHz頻段內(nèi)增益達(dá)到15.6dB，E面和H面的3dB主瓣寬度分別為18.5°和26°。2016年，Peng-fei Zhao等人設(shè)計(jì)了一款工作在500GHz的THz波紋圓錐喇叭天線[7]，該天線的輻射方向具有很好的對稱性，增益達(dá)到21dB，電壓駐波比（VSWR）低于1.4，E面和H面的3dB主瓣寬度分別為13.8°和13.4°。目前這些波紋喇叭天線存在增益低、旁瓣高、3dB主瓣寬度較大等問題，因此，高增益、低旁瓣的喇叭天線是目前所需要研究的目標(biāo)。

本文提出了一款L型波紋喇叭天線，采用電磁仿真軟件CST對喇叭輻射特性進(jìn)行分析。該波紋喇叭天線在320～380GHz工作頻段內(nèi)增益為21.7到23.6dB，3dB主瓣寬度為11°到15.2°，表明該天線具有良好的輻射特性。

1 波紋喇叭天線的基本原理

波紋喇叭天線口徑的內(nèi)半徑為，半張角為，軸向長度為，如圖1所示，口徑上源點(diǎn)的方位角用表示，≤為口徑面上任意一點(diǎn)到口面中心的長度；代表遠(yuǎn)場點(diǎn)的方位角；因?yàn)椴ㄇ盀榍蛎娌ǎ趶綀鱿辔环植既閇8]：

()＝t2(1)

式中：為口徑面半徑為處的相位值，＝p2/l＝ptan/，為中心頻率對應(yīng)的波長，為口徑面上任意一點(diǎn)到口徑面中心距離與半徑的比值，＝/。

圖1 波紋喇叭坐標(biāo)系

對于圓形口徑天線，當(dāng)觀察點(diǎn)(,,)位于喇叭天線遠(yuǎn)場區(qū)時(shí)，遠(yuǎn)場分布如式(2)所示[8]：

式中：＝kasin為空間因子，k＝2π/為波數(shù)。

由于波紋喇叭天線需要在圓波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生TE11模，TE11模是圓波導(dǎo)內(nèi)傳播的主模，因此，天線饋電端口圓波導(dǎo)的輸入半徑應(yīng)滿足的條件為[9]

式中：1為圓波導(dǎo)的輸入半徑。

喇叭天線的長度一般是根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用來設(shè)計(jì)的，通常需要5到10的長度[9]。喇叭越長天線的增益越大，因此本文設(shè)計(jì)波紋喇叭天線長度選為10。喇叭的長度與口徑半徑的關(guān)系為[10]：

在確定長度及口徑半徑的情況下，波紋喇叭天線的增益可以通過下式求得[9]：

式中：

式中：J為第一類階貝塞爾函數(shù)（＝1, 2, …），ka＝2.405為貝塞爾函數(shù)的特征值。

徑向開槽波紋圓錐喇叭天線的張角較小，內(nèi)部波紋槽與喇叭軸線垂直，與喇叭半徑方向平行，這種類型的波紋喇叭天線張角一般小于15°[9]。根據(jù)式(4)可求得口徑半徑，從而可以求得波紋喇叭天線的張角為14°，符合波紋喇叭天線小張角的設(shè)計(jì)要求。

2 L型波紋喇叭天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文提出一款L型波紋喇叭天線，幾何結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該天線分成3部分：第一部分為波導(dǎo)段，長度為1；第二部分為模式變換段，長度為2，波紋總數(shù)為；第三部分為輻射段，長度為3，波紋總數(shù)為。L型波紋局部圖如圖3所示，底部齒寬為，頂部齒寬由和3兩部分組成，底部槽寬為1，頂部槽寬為2，波紋周期為＝＋1，1為槽深。

本文設(shè)計(jì)的L型波紋喇叭天線在模式變換段波紋總數(shù)為，模式變換段的波紋周期數(shù)目通常為4～6個(gè)[9]。在模式變換段中，第個(gè)波紋槽深1()與槽寬2()分別為式(6)和式(7)：

式中：的取值為（1, 2, …,）。槽深1按照式(6)由/2漸變到/4，使得從圓波導(dǎo)的主模TE11變換到HE11混合模式。槽寬2按照式(7)由1/3漸變到21/3，通過分析模式變換段不同波紋數(shù)，由式(6)和式(7)可求得相應(yīng)的槽深1和槽寬2，2滿足條件2/2＝2/3。

圖2 L型波紋喇叭天線幾何圖

圖3 喇叭天線的L型波紋局部圖

在輻射段的槽深1和槽寬2分別保持/4和21/3。底部槽寬1與齒寬滿足1/＝5，槽深可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算[9]：

式中：k為波數(shù)；a為第個(gè)波紋處圓錐喇叭的半徑。

3 L型波紋喇叭天線的輻射特性

L型波紋喇叭天線由波導(dǎo)段、模式變換段和輻射段.3部分組成，利用電磁仿真軟件CST對L型波紋喇叭天線進(jìn)行仿真分析，建模時(shí)采用的金屬材料為銅，其電導(dǎo)率為5.96×107S/m。

圖4 L型波紋喇叭天線仿真剖面圖

圖5 350GHz頻點(diǎn)處L型波紋喇叭天線三維方向圖

圖6 L型波紋喇叭天線的S11曲線圖

L型波紋喇叭天線的工作頻率為320～380GHz，中心頻率為350GHz。圖5為350GHz頻點(diǎn)處L型波紋喇叭天線三維方向圖，從圖中可以看出，旁瓣與后瓣均得到了很好的抑制，主瓣比較尖，在該頻點(diǎn)處的增益為22.9dB。圖6為L型波紋喇叭天線的S11曲線圖，從圖中可知，在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，S11均小于－27.4dB，最小值達(dá)到－51dB。

3.1 模式變換段分析

分析模式變換段波紋數(shù)目對波紋喇叭天線性能的影響，利用控制變量法保持總波紋數(shù)為40不變，改變模式變換段的波紋數(shù)。圖7與圖8為模式變換段波紋數(shù)目分別取4、5、6時(shí)對天線增益以及3dB主瓣寬度的影響。

圖7 模式變換段內(nèi)不同波紋數(shù)目對增益的影響

圖8 模式變換段內(nèi)不同波紋數(shù)目對3dB主瓣寬度的影響

如圖7所示，L型波紋喇叭天線在工作頻率范圍內(nèi)模式變換段波紋數(shù)目為6時(shí)天線的增益性能最好，總體呈上升趨勢且均大于21.7dB，在380GHz頻點(diǎn)處增益達(dá)到最大值23.6dB。由圖8的曲線可以看出，在模式變換段波紋數(shù)目為6時(shí)3dB主瓣寬度平均值最小，在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)3dB主瓣寬度呈下降趨勢，變化范圍為15.2°～11°，在中心頻率350GHz處的3dB主瓣寬的為12.5°，從而可以看出其輻射的能量比較集中，具有良好的方向性。

3.2 輻射段分析

由3.1模式變換段分析可知，在模式變換段波紋數(shù)目為6時(shí)對L型波紋喇叭天線的增益和3dB主瓣寬度性能相對較好。在保持模式變換段波紋數(shù)目為6時(shí)，改變每個(gè)波長波紋的周期數(shù)，圖9和圖10分別為每個(gè)波長為3、4、5時(shí)對天線性能的影響。

如圖9所示，每個(gè)波長為4時(shí)天線的增益相對較好，在工作頻率范圍內(nèi)呈上升趨勢，其變換范圍為21.7dB～23.6dB。如圖10所示，在頻率工作范圍內(nèi)曲線呈下降趨勢，而每個(gè)波長為4時(shí)曲線下降最快，而且在大部分工作頻率范圍內(nèi)3dB主瓣寬度小于周期數(shù)為3和5的曲線，其主瓣寬度均小于15.2°，結(jié)果表明：輻射段每個(gè)波長為4個(gè)波紋周期時(shí)，天線的性能最好。

圖9 每個(gè)波長不同波紋周期P對增益的影響

圖10 每個(gè)波長不同波紋周期P對3dB主瓣寬度的影響

利用控制變量法分析模式變換段和輻射段對天線性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)模式變換段波紋數(shù)目為6、輻射段每個(gè)波長為4個(gè)波紋周期時(shí)，天線的遠(yuǎn)場輻射性能最好。根據(jù)本文設(shè)計(jì)的天線長度為10，1/＝5，天線的其它各項(xiàng)參數(shù)值為：1＝1mm，2＝1.448mm，3＝7.122mm，1＝0.4mm，＝2.534mm，＝0.214mm，/4＝0.214mm。

3.3 與普通波紋喇叭天線性能對比分析

經(jīng)過3.1和3.2仿真優(yōu)化分析，得到L型波紋喇叭天線的最終各項(xiàng)參數(shù)值。該天線同長度為，口徑輸出半徑為，槽深為1，槽寬為1，周期為的普通波紋喇叭天線進(jìn)行性能對比分析。圖11和圖12分別為L型波紋與普通波紋的增益和3dB主瓣寬度的對比圖。

由圖11可知，L型波紋喇叭天線的增益明顯優(yōu)于普通波紋喇叭天線，在工作頻段內(nèi)L型波紋喇叭天線的增益一直呈上升趨勢，并且L型波紋增益的平均值大于普通波紋的平均值，由圖12可知，L型波紋喇叭天線的3dB主瓣寬度明顯小于普通波紋喇叭天線，在350GHz頻點(diǎn)處L型波紋喇叭天線比普通波紋喇叭天線的3dB主瓣寬度小1.2°，在380GHz頻點(diǎn)處小3.1°。因此可以看出本文設(shè)計(jì)的L型波紋喇叭天線的性能是優(yōu)于普通波紋喇叭天線。

圖11 L型波紋與普通波紋增益對比

圖12 L型波紋與普通波紋3dB主瓣寬度對比

4 結(jié)論

本文首先根據(jù)波紋喇叭天線原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)普通的波紋喇叭天線存在增益低、旁瓣高等問題，然后對波紋進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)了L型波紋喇叭天線，接著對L型波紋喇叭天線的模式變換段和輻射段進(jìn)行了仿真分析，最后與同尺寸的普通波紋喇叭天線進(jìn)行性能對比，通過對比發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的L型波紋喇叭天線的性能明顯優(yōu)于普通波紋喇叭天線。仿真結(jié)果表明：該天線在320～380GHz范圍內(nèi)增益范圍為21.7～23.6dB，3dB主瓣寬度范圍為15.2°～11°，S11均小于－27.4dB。本文提出的L型波紋喇叭天線在太赫茲通信系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 楊鵬飛, 姚建銓, 邴丕彬, 等. 太赫茲波及其常用源[J]. 激光與紅外, 2011, 41(2): 125-131.

Yang Pengfei, Yao JIanquan, Bin Pibin, et al. Source and Characteristics of THz Wave[J]., 2011, 41(2): 125-131.

[2] Kürner T, Britz D M, Nagatsuma T, et al. Special Issue on THz Communications[J]., 2013, 15(6): 543-546.

[3] Ergün S, S?nmez S. Terahertz Technology for Military Applications[J]., 2015, 3(1): 13-16.

[4] Pedro A.G. Soares, Pedro Pinho, C.A. Wuensche, et al. High Performance Corrugated Horn Antennas for CosmoGal Satellite[J]., 2014, 5(17): 667-673.

[5] Tajima T, Song H J, Ajito K, et al. 300-GHz Step-Profiled Corrugated Horn Antennas Integrated in LTCC[J]., 2014, 62(11): 5437-5444.

[6] Lu H D, Lv X, Gao Z J, et al. Experimental Radiation Characteristics of Micromachined Terahertz Low-Profile Corrugated Horn Antenna[J]., 2015, 57(2): 364-367.

[7] Zhao P, Lv X, Lu H, et al. Experimental Realization of Micromachined Terahertz Corrugated Conical Horn Antenna[J]., 2016, 58(11): 2563-2566.

[8] 鐘順時(shí). 天線理論與技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011: 366-367.

Zhong S S.[M]. Bei Jing: Publishing House of Electronics Industry, 2011: 366-367.

[9] 李萌. 饋源喇叭天線的研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2010.

Li M. Study on Horn Feed Antenna[D]. Xi’an: Xi Dian University, 2010.

[10] Narasimhan M. Corrugated Conical Horn as a Space Feed for Phased-Array Illumination[J]., 1974, 22(5): 720-722.

THz Horn Antenna with L Type Corrugation

PAN Wu，LI Xuan，YIN Xia，CHENG Hao

(,400065,)

This paper presents a high gain, low sidelobe terahertz horn antenna with L type corrugation. The antenna, which works in the first atmospheric window, is composed of three parts, the waveguide section, the mode conversion section and the radiation section. The corrugated structure is drawn into the inner wall of the mode conversion section and the radiation section. The influence of corrugation number of mode conversion section and the period number of the wave length of the radiation section on the radiation characteristics are analyzed using the control variate method. Analysis results show that the gain of the corrugated horn antenna is greater than 21.7dB and the 3dB main lobe beamwidth is less than 15.2°in the working frequency range of 320-380GHz. The antenna meets the requirement of high gain and low sidelobe which is suitable for Terahertz communication system.

Terahertz，L type corrugation，Horn antenna

TN29

A

1001-8891(2017)05-0475-05

2016-12-06；

2017-04-18。

李選（1990-），男，河南鶴壁人，研究生，現(xiàn)主要從事太赫茲天線研究。E-mail：LiXuan_Connor@163.com。

潘武（1966-），男，四川大英人，教授，現(xiàn)主要從事太赫茲技術(shù)、超介質(zhì)材料研究。E-mail：panwu@cqupt.edu.cn。

重慶郵電大學(xué)新方向培育計(jì)劃項(xiàng)目（A2014-116）。