一種新型介質加載喇叭天線設計

2015-04-20 00:45:06王月娟玄曉波

制導與引信 2015年3期

宋誠，王月娟，玄曉波，2

（1.上海無線電設備研究所，上海200090；2.上海市航空航天器電磁環境效應重點實驗室，上海200438）

0 引言

在天線的小型化技術中，應用廣泛且有效的方法是加載。加載就是在天線適當的位置添加某些元件或網絡，通過改變天線中電流的分布來改善天線的性能。常用的無源加載方法有頂部加載、介質加載、集總元件加載等，這些方法不僅能夠有效降低天線的諧振頻率，還可以展寬天線的工作帶寬，是實現天線寬帶化和方向圖對稱性的重要手段。

圓形喇叭天線在很寬的頻帶內具有良好的方向性和旋轉軸對稱性［1-2］，且易加工調試。本文在圓形口徑喇叭的基礎上，提出了一種新型的介質加載圓錐喇叭天線。通過對腔內介質棒的設計，使得天線方向圖的旋轉軸對稱性更好，波束寬度更寬。

1 基本理論與設計

考慮到結構簡單且易于加工，采用介質加載形式。

一般在外界的激勵下，凡是能夠限定電磁能量在由任意形狀的電壁或磁壁所限定的結構內產生微波電磁振蕩的結構稱為電磁諧振器。介質諧振器是一種具有存儲能量和選頻特性的微波諧振元件。若將電磁波引入介質中，借助電磁波在介質與自由空間的界面的不斷反射，形成駐波而產生振蕩［3-4］。

本文提出了一種外型漸變的圓形錐削結構介質加載形式。錐削結構可以實現介質棒天線與空氣阻抗的較好匹配，從而減小表面波的反射，進而提高天線的有效輻射能力，展寬波束。因為介質棒橫截面沿喇叭開口方向線性減小，會逐漸提高電磁波的相速，棒末端的相速逐漸接近光速，從而減弱棒末端的反射。使得沿波導行進的波從被束縛的狀態逐漸轉換為自由空間波并輻射出去［5］。

喇叭天線可分為矩形口面和圓形口面兩大類。表1列出了各類喇叭天線的第一零點之間及半功率點之間的波束寬度。

表中，Lλ矩形口面邊長與自由空間波長比值；Dλ圓形口面直徑與自由空間波長比值；aEλ喇叭的E 面口徑尺寸與自由空間波長比值；aHλ喇叭的H 面尺寸與自由空間波長比值。其中，最優H 面矩形喇叭的波束寬度較圓形口面要寬，但矩形口面喇叭輻射方向圖的圓對稱性不如圓形口面喇叭［6］。圓錐喇叭天線分為三個部分，分別為圓波導，錐形喇叭，以及外形漸變的加載介質棒，如圖1所示，饋電波導口徑為2a，圓錐喇叭口面為2b，圓錐喇叭高度為h，探針長度為l，探針距離波導后壁的長度L。

表1 波束寬度比較

圖1 加載圓錐喇叭天線側視圖

介質棒材料采用聚四氟乙烯，介電常數為2.1，以漸變錐形表面導引電磁波，實現波束展寬。介質棒下端口與波導口大小一致并填充整個波導腔。饋電方式采用同軸探針饋電。

對于線極化天線，通常圓波導內的電磁場是TE11模，它是圓波導的最低次模。只有當工作波長λ＜3.41a 時，才有TE11模的波在波導內傳播，否則沒有電磁能量在波導內傳播。另外，為了防止其它高次模的產生，工作波長λ還必須大于2.62a，這是因為與TE11模相鄰的高次模為TM01，它的截止波長為2.62a。因此當選用圓波導作為饋源時，波導了尺寸一般應滿足2.62＜（λ／a）＜3.41，這樣就保證波導內只有TE11模的波在傳播［7］。綜上所述，取波導半徑a＝16.5 mm。綜合表1 中的圓形口面半功率波瓣寬度與口面半徑的關系及饋電點位置距離短路端1／4 波長，可得L＝15 mm，b＝48.5 mm。