0.8~2.5 GHz 雙極化四脊圓錐喇叭天線設計

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、雷達和探測系統中有廣泛的應用。展寬喇叭天線工作頻帶，最直接的方法就是在喇叭的波導和喇叭張開部分加入脊結構。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，但是在具體的設計方面分析的很少。本文對設計四脊圓錐喇叭天線的關鍵參數進行了分析以及仿真優化。加脊的喇叭天線極大地滿足了在寬頻帶天線領域的應用。

1 天線設計及優化

1.1 天線的設計

脊喇叭天線是在喇叭天線的基礎上，通過改變天線的結構來提升輻射性能。該喇叭天線作為饋源組陣，所以在天線設計過程中應綜合考慮喇叭的口徑與陣元間距的關系，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，通過對脊波導理論的分析，根據設計參數指標的要求，設計出滿足要求的四脊波導的結構和喇叭內脊曲線的形式，最終完成天線結構的設計。

脊喇叭結構如圖1 所示。喇叭饋電采用同軸線饋電，同軸線的內外徑設計保證和50 Ω匹配。根據同軸線特性阻抗公式：

$1.。

式中：a 為同軸線內導體的直徑;b 為外導體的直徑;εr為導體間填充介質的相對介電常數;Z0 為50 Ω的匹配阻抗。

波導段分為脊波導段和脊波導后面的直波導段，脊波導參數初值采用文獻9的方法確定。直波導濾除脊波導激起的高次模，起著展寬喇叭工作帶寬的作用。

直波導段后面是匹配塊，根據一般的設計經驗，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脊形狀的設計，為了使在阻抗轉換過程中不激起高次模，喇叭的長度應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曲線表達設為：

$2.。

式中：A 的值為1/2脊間距;k 的值根據喇叭內脊曲線的終點坐標值來確定。

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，口徑不能設計的太大，中和增益和口徑的關系，脊曲線在口面處截斷。

1.2 天線的優化

設計出喇叭的初步尺寸，再利用HFSS軟件進行仿真優化，在優化過程中不斷調整喇叭的尺寸直到達到預期設計目標。由于喇叭的結構較復雜，需要優化的參數比較多，可以固定幾個參數，縮小優化范圍。主要從以下幾個方面進行優化。

1.2.1 匹配塊及波導結構的優化

喇叭天線的饋電部分是內徑相等的波導，由于脊波導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。同時在脊波導段上有臺階設計[1],仿真發現，有臺階的脊波導對天線駐波比有很好的影響，通過調節臺階的厚度，達到優化的駐波比。結構如圖2所示。

1.2.2 脊波導內脊寬度和脊間距的優化

脊的寬度和脊間距對喇叭天線的工作帶寬有關鍵作用，設計寬頻帶喇叭天線首先要保證饋電波導在整個頻帶范圍內有好的電特性。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 喇叭內脊曲線形狀的優化

最后將對脊體的形狀進行優化，給指數函數再加上一個一次項，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 取經驗值。

0.02.

2 仿真結果

根據上述設計優化步驟，設計了一個在0.8~2.5 GHz頻帶內工作，口徑為240 mm,長度為320 mm,其中喇叭段長度為260 mm,波導段口徑為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，仿真結果如圖6~圖11所示。