超寬帶雙極化喇叭天線仿真設(shè)計(jì)

胡林仁，段東洋，郭慶功

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065）

0 引言

喇叭天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率容量大、頻帶寬、方向圖易于控制等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電磁兼容測(cè)試、雷達(dá)和通信系統(tǒng)。但傳統(tǒng)喇叭的最大工作帶寬約為2∶1。通常，在高階模式出現(xiàn)之前，一般是在喇叭內(nèi)部加入脊結(jié)構(gòu)來(lái)拓展帶寬。當(dāng)一對(duì)脊加載在波導(dǎo)的寬壁上，被稱為雙脊喇叭天線。其中，文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了一款工作在1～18 GHz 的超寬帶雙脊喇叭天線，對(duì)喇叭段喇叭部分的曲線增加了線性部分，駐波比在全頻段小于2.4，但其方向圖在12 GHz時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的裂瓣現(xiàn)象。近年來(lái)，喇叭天線已推廣應(yīng)用于測(cè)量消聲室中的三維圖案、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、微波成像等領(lǐng)域，受單極化喇叭天線制約，常需采用雙極化四脊喇叭天線來(lái)滿足工程需求。其中，文獻(xiàn)［8］中提出了一種工作在8～18 GHz的寬帶雙極化喇叭天線，其駐波比小于2.6，隔離度大于20 dB，在18 GHz 時(shí)天線E面的主瓣會(huì)偏移15°左右。文獻(xiàn)［10］設(shè)計(jì)了一款工作頻段為3.63～10.74GHz 的雙極化四脊喇叭天線，該天線兩端口駐波比在工作頻段內(nèi)小于2，隔離度大于39 dB。文獻(xiàn)［12］研究了一款在4～13.6 GHz 頻段內(nèi)的雙極化寬帶喇叭天線，駐波比小于2，通過(guò)加入介質(zhì)材料阻抗帶寬可拓展到2.5～14 GHz。

目前四脊喇叭天線的研究中仍存在：在實(shí)現(xiàn)雙極化的同時(shí)犧牲了帶寬、阻抗帶寬與方向圖帶寬或穩(wěn)定的單向輻射模式不能兼顧等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［12］研究了一款工作頻率為1.95～20 GHz的雙極化四脊喇叭天線，其倍頻程達(dá)到了10.25∶1，在脊的設(shè)計(jì)中引入了由指數(shù)和橢圓部分組成的新錐形線，天線的阻抗帶寬為VSWR＜2.5，隔離度大于41 dB，天線的方向圖良好。文獻(xiàn)［13］設(shè)計(jì)了一款工作頻段為0.6～9.4 GHz四脊雙極化喇叭天線，其工作帶寬拓展到了15.7∶1，駐波比在全頻段內(nèi)小于2，兩端口隔離度大于30 dB。

本文設(shè)計(jì)了一款工作在1～18 GHz頻段內(nèi)的寬帶四脊喇叭天線，采用三階貝塞爾曲線作為脊曲線，同時(shí)對(duì)脊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，仿真結(jié)果表明天線具有良好的駐波、增益及輻射特性。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在四脊喇叭天線中，沿波導(dǎo)的寬壁和喇叭的喇叭形部分都引入了脊。大多數(shù)電場(chǎng)被限制在四個(gè)脊之間，這增加了脊之間的有效電容，同時(shí)降低了主模的截止頻率。天線的特征阻抗也隨著兩對(duì)脊之間的間隙減小而減小。脊還略微提高了高次模的截止頻率。這些因素都使天線的工作帶寬得到了極大的提高。

四脊喇叭天線剖面圖如圖1 所示。它主要是由喇叭部分、 波導(dǎo)段及饋電激勵(lì)結(jié)構(gòu)三部分構(gòu)成。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 喇叭部分設(shè)計(jì)

在喇叭部分中，脊曲線的形式至關(guān)重要，主要起阻抗?jié)u變的作用，使喇叭天線從四脊波導(dǎo)過(guò)渡到自由空間的波阻抗377 Ω，其長(zhǎng)度也應(yīng)大于最大工作波長(zhǎng)的一半，以確保不激勵(lì)出高階模式。因此，在設(shè)計(jì)脊曲線時(shí)，應(yīng)恰當(dāng)選擇脊的輪廓，以實(shí)現(xiàn)良好的傳輸與輻射特性。目前，常用的脊曲線形式有許多，如線性、二次型、指數(shù)型和高斯型，不同類型的脊對(duì)天線性能的影響較大。研究發(fā)現(xiàn)，將喇叭口徑處的脊曲線形式修改成圓弧狀時(shí)，可實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配，同時(shí)可有效減小喇叭口面上的反射。傳統(tǒng)的脊曲線一般是在選定的脊曲線形式后添加一圓弧項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述性能，在設(shè)計(jì)時(shí)難以控制變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文采用三階貝塞爾曲線形式的脊曲線，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)脊曲線的不足，同時(shí)可較好地滿足喇叭的設(shè)計(jì)需求，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

如圖2 所示，表示三階貝塞爾曲線沿喇叭軸向的長(zhǎng)度，表示相對(duì)的脊之間距離的一半。實(shí)現(xiàn)三階貝塞爾曲線須有四個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)坐標(biāo)，其中，為起點(diǎn)，是終點(diǎn)，、分別是起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的控制點(diǎn)，其具體坐標(biāo)值如表1所示。

圖2 脊結(jié)構(gòu)示意圖

表1 貝塞爾曲線點(diǎn)描述

1.2 波導(dǎo)段設(shè)計(jì)

波導(dǎo)段可分為脊波導(dǎo)段和反射腔兩部分。在脊波導(dǎo)段，其橫截面結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，由于相對(duì)的脊之間的距離對(duì)天線性能影響很大，而脊之間的距離與脊波導(dǎo)主模的截止頻率成正比，脊間距越小，主模截止頻率越低。在圓形波導(dǎo)正中，當(dāng)直接采用方形結(jié)構(gòu)保持較小的脊間距時(shí)會(huì)導(dǎo)致各個(gè)脊相互交叉。為解決此問(wèn)題，將脊波導(dǎo)的末端進(jìn)行倒角處理，可有效縮短脊與脊之間的間距。如圖3（b）中的結(jié)構(gòu)所示，將脊的末端削成鍥形結(jié)構(gòu)，避免了各個(gè)脊相互交叉，減小了脊間距，使得天線的工作頻率向低頻擴(kuò)展的更多。

圖3 四脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

天線的反射腔是短路板到饋電同軸線之間的部分，其長(zhǎng)度一般為最小工作波長(zhǎng)的一半左右。反射腔末端的短路片可以有效提高背向輻射對(duì)天線性能的影響。反射腔的主要作用是濾除激勵(lì)過(guò)程中產(chǎn)生的高階模式，從而進(jìn)一步拓展帶寬。

1.3 饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在雙極化喇叭天線的設(shè)計(jì)中，要求天線的兩個(gè)探頭正交，一個(gè)用于垂直極化，另一個(gè)用于水平極化。天線的饋電裝置位于波導(dǎo)中脊的起點(diǎn)附近，即其探頭應(yīng)在距脊底部一定距離內(nèi)，以獲得足夠的阻抗匹配。當(dāng)天線最大工作頻率上升到18 GHz 時(shí)，距離范圍變得太小，無(wú)法放下兩個(gè)探頭，為了解決這個(gè)問(wèn)題，可將兩個(gè)脊末端切削一部分，減少探針與脊末端的距離，從而達(dá)到優(yōu)化駐波比的效果。

2 仿真及結(jié)果分析

根據(jù)上述理論指導(dǎo)在三維全波仿真軟件HFSS 中設(shè)計(jì)了一款工作頻率為1～18 GHz 的超寬帶雙極化四脊喇叭天線，天線口徑為220 mm，長(zhǎng)度為285 mm（其中喇叭段長(zhǎng)度為242 mm），波導(dǎo)段口徑為82 mm，天線的脊寬為4 mm，脊間距為0.8 mm，喇叭段長(zhǎng)度為242 mm，脊波導(dǎo)段長(zhǎng)度為43 mm，反射腔長(zhǎng)度為7.2 mm。其具體模型如圖4所示。

圖4 天線仿真模型

在HFSS 中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下所示。所設(shè)計(jì)的雙極化天線駐波比及隔離度結(jié)果如圖5所示，在整個(gè)工作頻段內(nèi)，端口1 和端口2 的駐波比一致性較好，都小于2。兩端口隔離度大于30 dB。

圖5 天線駐波比與隔離度

從圖6 和圖7 可知，天線的增益變化范圍在6～23 dBi。天線的方向圖良好， 選取的1、6、10、14、16、18 GHz 的方向圖如上圖所示，天線方向圖E 面及H 面的主瓣均未出現(xiàn)裂瓣現(xiàn)象，可看出該天線具有良好的單向輻射模式。

圖6 喇叭天線方向圖結(jié)果

圖7 天線增益

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種用于寬帶設(shè)計(jì)的帶有改進(jìn)脊的雙極化四脊喇叭天線，優(yōu)化后的脊使用三階貝塞爾曲線作為新的脊曲線。通過(guò)使用新的脊曲線，在1～18 GHz 頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了VSWR＜2的寬帶阻抗帶寬，隔離度大于30 dB，增益最高可達(dá)到23 dBi。天線的方向圖具有良好的對(duì)稱性，在整個(gè)工作頻段內(nèi)未裂瓣，具有良好的輻射性能。