基于3D打印技術(shù)的梯形凹槽雙脊喇叭天線

張 勝，徐 聰，謝振江，王 俊

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189)

0 引言

隨著無線通信的快速發(fā)展，加脊喇叭天線憑借其寬帶寬、方向性好及頻率特性優(yōu)等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，但天線旁瓣抑制仍是喇叭天線設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)之一。超材料[1]、電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)[2]和頻率選擇表面[3]等均可用來調(diào)節(jié)天線旁瓣，但這些材料和結(jié)構(gòu)在加工制造上較難實(shí)現(xiàn)，且制成的天線無法控制遠(yuǎn)場(chǎng)輻射。凹槽結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生表面波和同相輻射，能提高天線方向性，抑制高階模式和減少輻射場(chǎng)的交叉極化分量，也可用來抑制天線的旁瓣。凹槽效應(yīng)可用TE或TM表面波阻抗及輻射場(chǎng)的色散關(guān)系表征[4]，已被廣泛應(yīng)用于各類天線中[5-6]。

由波導(dǎo)壁張開延伸得到傳統(tǒng)的喇叭天線，其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。為了滿足更高的性能要求和更多的應(yīng)用場(chǎng)景，天線結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的加工方法已無法滿足喇叭天線的加工要求。3D打印技術(shù)具有環(huán)保、生產(chǎn)周期短和一次成型等優(yōu)點(diǎn)，這為現(xiàn)代微波電路加工提供了一條優(yōu)選途徑[7-8]。本文采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了帶有梯形凹槽的雙脊喇叭天線。通過在天線口徑面和外側(cè)壁添加兩組梯形槽，可有效抑制喇叭外壁上的電流，降低天線旁瓣且增加了天線增益。此外，天線的相對(duì)帶寬達(dá)到67%，空心的喇叭壁結(jié)構(gòu)可使天線質(zhì)量減少74%。

1 天線的幾何結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的梯形凹槽雙脊喇叭天線尺寸如圖1所示。在傳統(tǒng)的雙脊喇叭天線的基礎(chǔ)上，通過增加喇叭段的壁厚來延長(zhǎng)電流路徑，兩組梯形槽分別分布在天線口徑面和外側(cè)壁。天線的饋電方式為同軸饋電，材料為AlSi10Mg(導(dǎo)電率為6×105S/m[9])，天線喇叭壁設(shè)計(jì)成壁厚為1 mm空心結(jié)構(gòu)。天線優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)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,凹槽寬度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。

圖1 天線的幾何尺寸

2 天線設(shè)計(jì)原理

角錐喇叭的E面壁是逐漸張開的，電場(chǎng)與E面壁不再垂直，而存在夾角。為了滿足金屬邊界條件，E面壁上會(huì)產(chǎn)生指向口徑方向的壁電流,但壁電流不會(huì)流到喇叭口徑面處消失，反而會(huì)繞過口徑面繼續(xù)流到外壁。這種存在于外壁的電流易產(chǎn)生旁瓣。雖然H面壁也是逐漸張開的，但由于輸入模為TE10模，所以在H面的電場(chǎng)始終近似為0。因此,本文通過在E面壁添加2組梯形凹槽來阻止壁電流，達(dá)到降低旁瓣的效果。

圖2(a)為本文采用的雙脊喇叭天線初始結(jié)構(gòu)圖。在5～10 GHz內(nèi)，該天線增益為7.5～12.4 dBi，如圖3(a)所示。天線的脊曲線采用二次方程[10]:

(1)

圖2 天線結(jié)構(gòu)圖

(2)

(3)

W1?λ

(4)

式中：λ為波長(zhǎng)；n∈Z+。

因?yàn)榘疾凼翘岣咴鲆妗⒔档团园甑闹饕緩?，所以本文?duì)2組凹槽進(jìn)行分步優(yōu)化分析，其主要步驟如下：

1) Set Ⅰ的優(yōu)化。圖3為W2的參數(shù)分析。由圖3(a)可知，凹槽對(duì)高頻增益的影響較大。隨著W2的減小，高頻段內(nèi)的增益逐漸變大。當(dāng)W2=1 mm時(shí)，增益提高約3.2 dBi。9 GHz時(shí)電流分布如圖3(b)所示，電流主要分布在凹槽中間和喇叭口周圍。電流在凹槽處產(chǎn)生強(qiáng)烈的諧振，減少了流向外側(cè)壁的電流，從而有效地抑制了旁瓣。由圖3(c)可知，與無槽天線相比，當(dāng)W2=1 mm時(shí)旁瓣電平降低了7 dB。

圖3 W2的參數(shù)分析

2) Set Ⅱ的優(yōu)化。圖4為W4的參數(shù)分析。由圖4(a)可看出，Set Ⅱ可有效地提高低頻段的增益，當(dāng)W4=3 mm時(shí)，增益表現(xiàn)最優(yōu)。7 GHz時(shí)電流分布如圖4(b)所示，電流主要分布在凹槽兩端。由于凹槽兩端朝外側(cè)延伸，易造成電流流失，故導(dǎo)致在6.8～7.2 GHz頻段內(nèi)增益小于無槽天線。由圖4(c)可知，槽底W4對(duì)旁瓣的影響較大。與無槽天線相比，當(dāng)W4=3 mm時(shí)，凹槽天線旁瓣電平小于-18 dB，旁瓣特性比無槽天線提高了約4 dB。

圖4 W4的參數(shù)分析

3) 總體性能分析。將優(yōu)化后的2組凹槽同時(shí)加入天線，并對(duì)4種情況下性能參數(shù)進(jìn)行比較，如圖5所示，加槽天線的回波損耗S參數(shù)均與無槽天線相吻合。與無槽天線相比，帶有2組凹槽天線的低頻增益和高頻增益分別提高了6 dBi和4 dBi，在整個(gè)頻段內(nèi)大于10 dBi。

圖5 天線加槽前后的參數(shù)對(duì)比

為了減少成本和降低天線質(zhì)量，本文將喇叭壁設(shè)計(jì)成壁厚為1 mm的空心結(jié)構(gòu)。天線利用EOS M280打印機(jī)通過直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)技術(shù)進(jìn)行制作。此款3D打印機(jī)使用功率為200 W的激光器，能實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)約1 μm的激光輸出，掃描速度高達(dá)7 m/s，能打印的最大器件尺寸為250 mm×250 mm×325 mm；此外，天線的打印精度與打印材料有關(guān)。本文使用的打印材料為AlSi10Mg(導(dǎo)電率為6×105S/m)，其加工精度為100 μm，表面粗糙度Ra=15 μm，可打印的最小壁厚為300～400 μm。加工的天線如圖6所示。經(jīng)測(cè)量，天線質(zhì)量由原來的537 g降低到141 g。

圖6 天線實(shí)物圖

3 結(jié)果分析

圖7為使用KEYSIGHT E5063A網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行測(cè)量的環(huán)境。圖8為天線S參數(shù)的仿真和測(cè)量結(jié)果。由圖可見，在頻率5～10 GHz時(shí)，天線的工作帶寬優(yōu)于-10 dB。由于加工精度的原因?qū)е聹y(cè)量結(jié)果發(fā)生了頻率偏移。圖9為天線增益的仿真和測(cè)量結(jié)果。由圖9可看出，在整個(gè)頻段內(nèi)，天線增益有顯著提高。本文提出的天線峰值增益為14.75 dBi，比無槽天線高2.34 dBi。測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致。

圖7 天線的測(cè)量環(huán)境

圖8 天線S參數(shù)的仿真和測(cè)量結(jié)果

圖9 天線增益的仿真和測(cè)量結(jié)果

圖10為遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖。在6 GHz時(shí)，E、H面的旁瓣分別減少了2.4 dB和4.2 dB。在7.5 GHz時(shí)，旁瓣分別減小11.2 dB和10.6 dB。在9 GHz時(shí)，旁瓣分別減小了0.7 dB和9.7 dB。E、H面的交叉極化水平均小于-21 dB。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，天線旁瓣抑制較好。

圖10 天線在不同頻率的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于3D打印技術(shù)的雙脊喇叭天線。在天線口徑面和外側(cè)壁添加2組梯形凹槽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了降低旁瓣、提高增益的目的。經(jīng)過仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在工作頻帶5～10 GHz內(nèi)，天線擁有較低的旁瓣，天線增益高于10.32 dBi，峰值增益達(dá)14.61 dBi。喇叭部分經(jīng)過中空處理后，天線質(zhì)量降低了約74%。運(yùn)用3D打印技術(shù)對(duì)天線進(jìn)行加工制作，解決了天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以加工的問題。該天線具有質(zhì)量小，成本低及性能高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。