高效宽带喇叭天线的设计
高效宽带喇叭天线的设计
丁晓磊
摘 要 为满足电磁兼容测试对小体积、宽频带和高增益天线的需求，结合宽频带天线的工作原理，设计了一种结构紧凑的局部加脊宽带喇叭天线。和相同尺寸的普通加脊喇叭天线相比，增益提高约1-3dB 。 关键词 加脊喇叭、宽频带、高效率
(中国航天科技集团公司704所，北京 100076)
The Design of High Efficient Broadband Horn Antenna
DING XIAO LEI
(Institute of No.704, China Aerospace Science and Technology Corporation, Beijing 100076,China) Abstract: The paper presents a horn antenna with ridges located at the start of flare. In addition to the broad bandwidth, a substantial increase in antenna gain over that of common ridged horn has been achieved for the design in this paper. The designed antenna can be used not only for electromagnetic compatibility measurement but also for broad-band communication system. Keywords: ridged horn , broadband , high efficiency
1 引言
常见的宽带天线包括：加脊喇叭天线、TEM 喇叭天线、对数周期天线、螺旋天线、Vivaldi 天线等。加脊喇叭因其具有频带宽、结构紧凑、辐射口径稳定的特点，是电磁兼容测试的理想天线。
加脊喇叭天线的设计方法和理论分析都有较多的文献报道，但对于在缩短天线轴向长度的同时提高天线增益的设计方法还未见报道。众所周知，一般的加脊喇叭天线的脊都是从馈电点延伸到辐射口面，由于辐射口径内脊结构的二次效应，其增益一般比相同口径的普通光壁喇叭的增益低1-3dB 。为满足实际应用时对小体积、宽频带和高增益天线的需求，结合宽频带天线的工作原理和常见加脊喇叭天线的缺点，本文设计了一种结构紧凑的高效宽频带天线。其剖面图如图1所示。和相同频带、相同增益的普通加脊喇叭天线相比，该天线具有体积小、重量轻的优点。
图1 局部加脊喇叭天线结构示意图
2 设计原理
根据宽频带天线的工作原理，要实现天线的宽频带工作必须满足输入端的宽频带阻抗匹配和辐射性能的宽频带特性。借鉴普通加脊喇叭天线的设计思路，本文设计的天线通过同轴到双脊波导的变换实现信号能量的馈入，通过脊曲线和喇叭参数的优化设计实现脊波导到辐射喇叭阻抗的平滑匹配和信号能量的理想传输和辐射。
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作者简介：丁晓磊，女，研究员，主要研究领域为天线理论和技术。
2．1馈电结构的设计
该天线的馈电结构由三部分组成：匹配 腔体、脊波导和同轴脊波导的变换。同轴脊波导变换部分的同轴接头可选用50Ω的电缆头如SMA 、N 型等即可。但应注意内导体要足够长, 以便能深入到对应的脊并保证与其电接触。同轴的内导体外壁应尽量靠近脊的终端。
匹配腔体即脊波导后端的短路段部分，用于滤除被激励出来的TE 20模, 其结构参数包括波导截面参数A c B c 和长度L c ，L c 一般小于最高工作频率对应的波长的一半，A c 约等于最高工作频率对应的脊波导内TE 20模对应波长的一半，B c 小于A c 。
脊波导的优点是降低主模传输的截止频率和抬高高次模出现的频率，从而展宽波导的工作频带。矩形双脊波导的结构如图2所示。其中a 和b 为波导的宽和高，s 为脊的宽度，d 为两个脊之间的距离。图3是文献[1]给出的双脊波导在b/a=0.5时不同模式的截至波长和脊波导参数的关系曲线。当采用同轴双脊波导转换的馈电结构时, 激励点处于脊波导中心, 使得TE 20模被抑制。双脊波导的最大可用单模传输带宽就由TE 10模的截止波长和TE 30模的截止波长的比值决定。由图3给出的TE 10模的截止波长和TE 30模的截止波长可知，矩形双脊波导采用同轴馈电时其最大理论单模传输带宽约为9：1，由于工程可实现的限制，矩形双脊喇叭天线的单模工作带宽一般窄于9：1，对于超过单模工作频带的高频端方向图，必然会有方向图形状的畸变和增益恶化。为保证全频带内阻抗的理想匹配，双脊波导参数的选择应满足使用频率高于截止频率15% ~25%的条件。
图2 双脊波导截面示意图
图3a TE 10模
图3b TE 20模
图3c TE 30模
图3 不同模式的截至波长和脊波导参数 2.2辐射喇叭的设计
喇叭段的长度和喇叭截面参数可按照常规角锥喇叭的设计公式，根据增益与口径面相差的要求来确定[2]。由于该喇叭工作于宽频带，根据前面脊波导单模工作的情况，对高频段的工作频点，天线可能工作于多模式状态，因此，确定喇叭参数时的参考频率应选择在单模工作的频点。
由于该天线的脊曲线终止于喇叭张开的起始部分，如图1所示，因此，在确定喇叭的长度和截面参数时，不仅要保证加脊部分到光璧喇叭段阻抗的匹配，还必须保证脊曲线终止处的喇叭截面A h1满足工作频带内电磁波的传输条件。
对于超过该频带宽度的高频端方向图，为避免方向图形状的畸变和增益恶化，可以考虑在喇叭内增加介质材料改变喇叭内主模和高次模的波导内波长，进而调整不同模式的电磁波到达喇叭口面时的相位关系，使口面的场分布达到理想状态。 3.3脊曲线函数的求解
脊曲线的设计是该喇叭天线设计的关键部分。脊的作用是展宽带宽并起到馈电端
到喇叭的阻抗渐变作用, 它使馈电点处的50Ω(或者更低) 阻抗逐渐变化到脊终止处的阻抗。脊的形状直接影响喇叭天线的性能, 如VSWR 、方向图形状、增益等。为了改善喇叭天线在低频端的性能, 该天线的脊曲线采用指数曲线, 在指数曲线上叠加一线性部分。即
y (z ) =x x 1e 2z +x 3z 对于常见的从馈电点延伸到辐射口径面处的脊曲线，x 3的取值一般为0.02，x 1和x 2值可由脊的起点和终点坐标确定。对于本文的天线结构，脊曲线终止在喇叭内，为了实现宽频带内的阻抗匹配特性，x 1和x 2值仍有脊的起点和终点坐标确定，但x 3的取值需结合喇叭的其它参数进行优化，本文是结合HFSS 软件，通过比较VSWR 和不同频点的增益，最终确定x 3=0.01。
3 仿真结果
根据前面的理论分析，设计了一个2-10GHz 的喇叭天线，天线总长为300mm ，为2GHz 频率对应波长的一倍。为提高高频端的增益和改善方向图形状，在喇叭内增加了介质片。为了说明本文方法的有效性，以下给出三种天线结构的仿真结果，三种结构的天线参数除后两种结构的脊曲线参数不同外，其他都是相同的。图4是采用本文方法设计的局部加脊喇叭天线（编号为1#）的仿真结果；图5是在1#天线的辐射口径内内增加了调整高频端方向图形状的介质片（编号为2#）的仿真结果；表1是将脊延伸到辐射口面的普通加脊喇叭（编号为3#）的仿真结果和相同参数的1#天线的仿真增益比较。仿真结果表明，三个天线全频段的驻波比VSWR
由仿真结果可知，局部加脊可以提高天
线增益，辐射口径内增加介质片可以优化高频端的辐射特性。
图4a f=2GHz，G=11.6dB
图5 加介质片的局部加脊喇叭（2#） 4 结论
由以上的仿真结果可知，本文设计的局部加脊并结合辐射口径内增加介质片的宽频带喇叭天线，具有效率高、结构紧凑、纵向尺寸短的优点。和相同参数的普通加脊喇叭天线相比，增益提高约1-3dB 。
参考文献
1 S.Hopfer, The design of ridged waveguide,” IRE Trans. Microwave Theory Tech, vol. MTT-3, pp. 20-29, Oct. 1955.
2 DR. JOHN, L. VOLAKIS, Antenna Engeering Handbook, 4nd Edition, McGraw-Hill, New York,2007,ch.14.