0.8~2.5 GHz 雙極化四脊圓錐喇叭天線設(shè)計

0 引言

喇叭天線由于其多功能性、簡單性和好的輻射性能，在微波測量、雷達和探測系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。展寬喇叭天線工作頻帶，最直接的方法就是在喇叭的波導(dǎo)和喇叭張開部分加入脊結(jié)構(gòu)。脊喇叭天線增益高，阻抗低，體積小，易于和傳輸線連接，適合用在雷達、電子對抗設(shè)備以及微波電子器件中。喇叭天線作為饋源組陣時，圓錐喇叭可以節(jié)省空間，便于控制陣元間距而抑制柵瓣。近來對加脊喇叭天線分析的文章很多，但是在具體的設(shè)計方面分析的很少。本文對設(shè)計四脊圓錐喇叭天線的關(guān)鍵參數(shù)進行了分析以及仿真優(yōu)化。加脊的喇叭天線極大地滿足了在寬頻帶天線領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 天線設(shè)計及優(yōu)化

1.1 天線的設(shè)計

脊喇叭天線是在喇叭天線的基礎(chǔ)上，通過改變天線的結(jié)構(gòu)來提升輻射性能。該喇叭天線作為饋源組陣，所以在天線設(shè)計過程中應(yīng)綜合考慮喇叭的口徑與陣元間距的關(guān)系，既要避免溢出損耗，又要保證單元尺寸不要超過最大陣元間距而無法排布。

四脊喇叭可以看成兩個對稱的雙脊喇叭，通過對脊波導(dǎo)理論的分析，根據(jù)設(shè)計參數(shù)指標(biāo)的要求，設(shè)計出滿足要求的四脊波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和喇叭內(nèi)脊曲線的形式，最終完成天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

脊喇叭結(jié)構(gòu)如圖1 所示。喇叭饋電采用同軸線饋電，同軸線的內(nèi)外徑設(shè)計保證和50 Ω匹配。根據(jù)同軸線特性阻抗公式：

$1.。

式中：a 為同軸線內(nèi)導(dǎo)體的直徑;b 為外導(dǎo)體的直徑;εr為導(dǎo)體間填充介質(zhì)的相對介電常數(shù);Z0 為50 Ω的匹配阻抗。

波導(dǎo)段分為脊波導(dǎo)段和脊波導(dǎo)后面的直波導(dǎo)段，脊波導(dǎo)參數(shù)初值采用文獻9的方法確定。直波導(dǎo)濾除脊波導(dǎo)激起的高次模，起著展寬喇叭工作帶寬的作用。

直波導(dǎo)段后面是匹配塊，根據(jù)一般的設(shè)計經(jīng)驗，探針距匹配塊距離小于二分之一的最小波長。

最后是喇叭部分和喇叭內(nèi)脊形狀的設(shè)計，為了使在阻抗轉(zhuǎn)換過程中不激起高次模，喇叭的長度應(yīng)大于二分之一的最大波長，喇叭口徑的大小由天線增益和口徑面相位差確定。脊喇叭天線的脊指數(shù)曲線表達設(shè)為：

$2.。

式中：A 的值為1/2脊間距;k 的值根據(jù)喇叭內(nèi)脊曲線的終點坐標(biāo)值來確定。

喇叭口徑的理論值約為0.7倍的最大波長，即262 mm,考慮到喇叭作為相控陣饋源，口徑不能設(shè)計的太大，中和增益和口徑的關(guān)系，脊曲線在口面處截斷。

1.2 天線的優(yōu)化

設(shè)計出喇叭的初步尺寸，再利用HFSS軟件進行仿真優(yōu)化，在優(yōu)化過程中不斷調(diào)整喇叭的尺寸直到達到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。由于喇叭的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要優(yōu)化的參數(shù)比較多，可以固定幾個參數(shù)，縮小優(yōu)化范圍。主要從以下幾個方面進行優(yōu)化。

1.2.1 匹配塊及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

喇叭天線的饋電部分是內(nèi)徑相等的波導(dǎo)，由于脊波導(dǎo)與匹配塊連接部分需要有空隙，采用在匹配塊上開半球形槽的辦法來滿足。同時在脊波導(dǎo)段上有臺階設(shè)計[1],仿真發(fā)現(xiàn)，有臺階的脊波導(dǎo)對天線駐波比有很好的影響，通過調(diào)節(jié)臺階的厚度，達到優(yōu)化的駐波比。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.2 脊波導(dǎo)內(nèi)脊寬度和脊間距的優(yōu)化

脊的寬度和脊間距對喇叭天線的工作帶寬有關(guān)鍵作用，設(shè)計寬頻帶喇叭天線首先要保證饋電波導(dǎo)在整個頻帶范圍內(nèi)有好的電特性。脊的終端由尖頂削成平頂，如圖3所示，這樣設(shè)計是為了減小四個脊終端之間的相互影響，同時減小了脊間距，以及使加工方便。

1.2.3 喇叭內(nèi)脊曲線形狀的優(yōu)化

最后將對脊體的形狀進行優(yōu)化，給指數(shù)函數(shù)再加上一個一次項，可以起到擴展頻帶的作用，修正后的脊曲線方程為：

$3.。

脊曲線示意圖如圖4所示。圖中Dy 為喇叭口面的口徑寬度;b 為脊間距;L 為喇叭的長度;C 取經(jīng)驗值。

0.02.

2 仿真結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計優(yōu)化步驟，設(shè)計了一個在0.8~2.5 GHz頻帶內(nèi)工作，口徑為240 mm,長度為320 mm,其中喇叭段長度為260 mm,波導(dǎo)段口徑為35 mm 的寬頻帶雙極化四脊喇叭，喇叭天線模型如圖5所示。

利用高頻電磁仿真軟件HFSS對模型進行仿真，仿真結(jié)果如圖6~圖11所示。