“飄帶”式喇叭天線特性研究

摘 要:基于TEM喇叭天線的結(jié)構(gòu)特點，兼顧天線輻射性能和輕量化考慮，設(shè)計了一種“飄帶”式喇叭天線，該設(shè)計用兩根彎曲的窄帶代替了基本模型中的上板。針對“飄帶”式喇叭天線的一些重要物理尺寸，利用Ansoft HFSS仿真軟件對模型進行了分析。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)進一步改善了喇叭天線的低頻性能，展寬了天線的頻帶。最后分析了“飄帶”式喇叭天線的各個參數(shù)與天線性能之間的關(guān)系，得到了一組優(yōu)化結(jié)果。

關(guān)鍵詞:飄帶;喇叭天線;超寬帶;天線參數(shù)

中圖分類號:TN82 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-004-03

Characteristics Investigation of Ribbon Horn Antenna

LIU Xiuxiang，LEI Zhenya，XIE Yongjun，YANG Rui

(National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology，Xidian University，Xi′an，710071，China)

Abstract:Based on the structural characteristics of TEM horn antenna，taking antenna radiation performance and light weight into account，the design of a ribbon type that two curved narrow bands supersedes the basic model on the top board.The important parameters of ribbon horn antenna such as physical size，which can be analyzed using Ansoft HFSS simulation software.The low-frequency characteristics of the antenna have been modified，and the band has been extended.Finally，the relationship between the various parameters of ribbon horn antenna and antenna performance has been obtained via optimized.

Keywords:ribbon;horn antenna;UWB;antenna parameter

0 引 言

TEM喇叭天線具有良好的寬頻帶特性，結(jié)構(gòu)簡單，可承受很高的功率，在眾多領(lǐng)域有所應(yīng)用，一直以來已被眾多的研究者所研究[1-15]。基本的TEM喇叭天線[1]結(jié)構(gòu)如圖1所示，由上下兩塊導(dǎo)體板和一個饋電結(jié)構(gòu)組成，其主要參數(shù)包括導(dǎo)體板的夾角α、上下板之間的張角β以及上下板的長度。

圖1 TEM喇叭天線的基本結(jié)構(gòu)

例如:文獻[1-3]仔細研究了這種TEM喇叭天線，并針對一些物理尺寸進行了分析。但是這類基本的TEM喇叭天線存在著自身的缺陷，在實現(xiàn)超寬帶時，很難降低低頻的反射，因而無法在低頻領(lǐng)域發(fā)揮作用。加大天線的物理尺寸，雖然可以改善低頻的效果，且增加天線的重量，但約束了天線的實際應(yīng)用。為了改善TEM喇叭天線的低頻性質(zhì)，研究者開始從天線的結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出了喇叭天線上下板的漸變結(jié)構(gòu)[4-7]，包括“柳葉狀”、指數(shù)曲線等，目的是要更好地實現(xiàn)TEM喇叭天線從同軸線到空氣的阻抗匹配。也有研究者從加載和饋電的方面考慮[8-12]，通過低頻補償、加載介質(zhì)或微帶巴倫等形式，降低低頻反射，提高TEM喇叭天線的低頻利用率。但是，以上研究都是僅針對TEM喇叭天線的某一些參數(shù)進行的，仍缺乏參數(shù)對于天線性能影響的系統(tǒng)研究。

基于以上考慮，根據(jù)TEM喇叭天線的結(jié)構(gòu)特點，本文設(shè)計了一種“飄帶”式喇叭天線，用兩根彎曲的窄帶代替了喇叭天線的上板，并系統(tǒng)地對“飄帶”式喇叭天線的參數(shù)進行了分析研究，拓展了天線的低頻性能，得出了一組參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。

1 理論分析

1.1 TEM喇叭天線的理論分析

本文關(guān)注的TEM喇叭天線，既包含漸變結(jié)構(gòu)也包含低頻補償結(jié)構(gòu)。將基本TEM喇叭天線中的上下板，用指數(shù)曲線形成的曲面代替，使喇叭天線實現(xiàn)阻抗匹配，將同軸線中傳輸?shù)碾姶挪ㄝ椛涞嚼忍炀€以外，可以實現(xiàn)超寬帶的目的。同時，利用電流只分布在喇叭上板邊緣的特點[13]，將整個上板用上述曲面的兩個邊緣代替，形成兩條“飄帶”，這樣的設(shè)計大大降低了天線的加工成本和加工難度，有利于實現(xiàn)天線的輕量化，而對于天線端口參數(shù)的影響可以通過“飄帶”的寬度來調(diào)整。

低頻補償結(jié)構(gòu)是通過在TEM喇叭天線的上、下部以及后部加載導(dǎo)體面來實現(xiàn)的，被視為磁偶極子[14]，主要作用是拓展天線在低頻的輻射性能。將同軸線的外導(dǎo)體直接與背板相連，而喇叭天線的下板也通過底部導(dǎo)體板與背板相連，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)在大幅改變TEM喇叭天線低頻輻射性能的同時，對于天線的高頻性能影響不大[15]。

1.2 TEM喇叭天線的模型設(shè)計

本文設(shè)計的喇叭天線模型如圖2所示，其中上板是兩根“飄帶”，“飄帶”窄端接同軸線內(nèi)徑，同軸線內(nèi)半徑為5 mm，“飄帶”是依據(jù)指數(shù)曲線漸變的且關(guān)于y，z面對稱，同時寬度隨著“飄帶”的增長有所增加。下板同樣是由指數(shù)曲線漸變而成的，但是為了降低天線的整體尺寸，在對天線端口參數(shù)影響不大的情況下，采用了與上板不同的曲率半徑。底板和背板的導(dǎo)體，與喇叭的上、下板構(gòu)成磁偶極子，對該喇叭天線起到低頻補償?shù)淖饔谩１嘲迮c同軸線的外徑相連接，其高度對于天線性能的整體影響不大，可利用降低背板高度的方法，實現(xiàn)更輕量化的目的。

圖2 TEM喇叭天線模型

利用Ansoft HFSS仿真軟件，對上述模型進行建模仿真，并將模型中重要物理結(jié)構(gòu)的尺寸用參數(shù)表示，“飄帶”在y方向的投影長度為LP(以同軸線內(nèi)芯的中心作為原點);“飄帶”的(終端)寬度為W;喇叭下板在y方向的投影長度為L，頻率范圍是50 MHz～1.2 GHz。通過比較不同參數(shù)對輸入端口駐波的影響，可以優(yōu)化得出“飄帶”式喇叭天線的最終尺寸。

2 數(shù)值分析

2.1 “飄帶”的投影長度LP

“飄帶”的投影長度是指其在y方向的長度，高度z是以y為變量指數(shù)變化的，當(dāng)指數(shù)曲線的其他參數(shù)不變時，投影長度LP是“飄帶”結(jié)構(gòu)的惟一變量，圖3中比較了上述前提下LP對于“飄帶”式喇叭天線端口參數(shù)的影響。

圖3 參數(shù)LP對駐波(VSWR)的影響

從圖3中的駐波結(jié)果來看，顯然LP的值直接影響了“飄帶”式喇叭天線的低頻性能，并且起到了非常重要的作用，是擴展天線低頻性能所需考慮的主要參數(shù)。當(dāng)LP=35 cm時，天線的低頻性能最差，端口的能量反射很大;當(dāng)LP=44.3 cm時，低頻反射最小。由此可知，在指數(shù)曲線變化規(guī)律和參數(shù)LP的共同作用下，“飄帶”很好地實現(xiàn)了阻抗匹配，有效地降低了能量的反射，將大部分能量輻射出去。而LP=44.3 cm是投影長度最長的情況，從整體上增加了天線的物理尺寸，有利于提高天線的低頻利用率。

2.2 “飄帶”的寬度W

依據(jù)TEM喇叭天線的結(jié)構(gòu)特點，電流僅僅分布在喇叭上、下板的邊緣[13]，在不影響天線其他性能的情況下，改變“飄帶”的寬度，可以兼顧天線輻射性能和天線輕量化設(shè)計的要求。“飄帶”終端寬度對于端口參數(shù)的影響，如圖4所示，結(jié)果顯示，三條曲線有著相同的變化趨勢，“飄帶”上的電流分布也大致相同，電流主要集中在邊緣部分，距離邊緣越遠，分布的電流就越小。如果“飄帶”過窄，就會切割一小部分電流，引起能量的反射。文獻[13]中提及，如果用線框代替面板，輻射波的幅度會減小10%左右。為了盡量減小這種損失，終端寬度W=11 cm更好地兼顧了天線的輻射和實際重量。

圖4 參數(shù)W對VSWR的影響

2.3 “飄帶”式喇叭天線下板對天線性能的影響

“飄帶”式喇叭天線的下板也是由指數(shù)曲線漸變而成的，通過底板導(dǎo)體與背板相連，是一種低頻補償結(jié)構(gòu)，同樣是用以降低低頻反射的。在高頻頻段，由于TEM喇叭天線的輻射能量主要集中在上板，所以下板對于天線的端口參數(shù)影響略小。

圖5 參數(shù)L對VSWR的影響

圖5給出了下板長度和端口參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。可見，下板長度對于天線的影響偏小，但也起到了一定的作用。由圖中可以看出，L過小(L=20 cm時)，在0.5 GHz，0.7 GHz和1.2 GHz附近都引起了一定的反射，天線的輻射性能降低;而L過大(L=40 cm時)，在0.33 GHz時也造成了駐波的升高。整體對比三種情況下的曲線結(jié)果，其有著類似的變化趨勢，在0.33 GHz，0.5 GHz，0.7 GHz和1.03 GHz附近，都出現(xiàn)了波峰，說明這與天線的整體結(jié)構(gòu)有關(guān)，下板的長度只能在一定程度上改善天線的輻射性能。

綜合以上參數(shù)的分析結(jié)果，對“飄帶”式喇叭天線模型進行優(yōu)化，當(dāng)LP=44.5 cm，W=10 cm，L=35 cm時，天線的物理尺寸為45 cm×40 cm×75 cm，在VSWR≤3的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)80 MHz~2.9 GHz的超寬帶目標如圖6所示。當(dāng)f=0.5 GHz時，最大增益在75°;當(dāng)f=1.8 GHz時的最大增益在50°，如圖7所示。

圖6 參數(shù)優(yōu)化后的駐波

3 結(jié) 語

采用了一種“飄帶”式結(jié)構(gòu)設(shè)計，替代了基本TEM喇叭模型中的上板。通過對模型的物理結(jié)構(gòu)進行參數(shù)設(shè)置，分析了各個參數(shù)對天線性能的影響，優(yōu)化了天線的輻射性能，進一步拓寬了“飄帶”式喇叭天線的低頻頻段，實現(xiàn)了超寬帶設(shè)計。同時，模型中的“飄帶”、下板和背板結(jié)構(gòu)都盡可能地采取小型化、輕量化設(shè)計，在很大程度上減少了加工成本和加工難度，提高了天線的實用性，最后，給出了一組參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。

圖7 參數(shù)優(yōu)化后的增益

需要指出的是，根據(jù)設(shè)計指標，當(dāng)天線的VSWR≤3時，就可以滿足實際使用。從這個意義上講，該天線在低頻頻段能很好地完成設(shè)計要求。

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