一種三波段通用的高增益雙脊喇叭天線?

李煒杰 李尚生 付哲泉 鄒翰鋒

（海軍航空工程學院煙臺264001）

一種三波段通用的高增益雙脊喇叭天線?

李煒杰 李尚生 付哲泉 鄒翰鋒

（海軍航空工程學院煙臺264001）

介紹了一種可用于C、X、Ku波段的雷達接收系統的雙脊喇叭天線，該天線體積小、頻帶寬且增益高。根據天線的結構分析了脊波導、喇叭段尺寸及喇叭脊結構曲線的相關性質，給出了天線相關參數的計算方法。仿真結果表明，在5～18GHz的帶寬內輸入回波損耗小于-9dB，在6GHz、10GHz、15GHz這三個頻點上，天線增益均大于15dB，且沒有明顯的主瓣分裂。

雙脊喇叭；脊波導；脊結構曲線；通用；高增益

Class NumberTN955+.1

1 引言

某型檢測系統的核心部件是主動雷達，為了實現通用化目標，在檢測系統雷達接收機中需要采用滿足帶寬需要且增益足夠高的天線［1］。根據主動雷達的功能、技術指標和檢測流程，確定天線的主要技術指標如下：

1）工作頻段：5GHz～18GHz；

2）H面主瓣寬度：在6GHz、10GHz、15GHz頻點上2θ0.5H≥14°；

3）天線增益：在6GHz、10GHz、15GHz頻點上G≥5dB；

4）極化方式：垂直極化。

雙脊喇叭天線具有超寬帶、高增益、大功率、方向性良好等特點，能較好地滿足所需天線的指標要求［2］。依據雙脊喇叭天線的設計原理，本文利用電磁仿真軟件設計和仿真了一副三波段通用的高增益雙脊喇叭天線，實現了通用化目標。

2 雙脊喇叭天線結構的設計原理和方法

雙脊喇叭天線的結構如圖1所示，可以分為波導段和喇叭段兩部分。

波導段采用雙脊波導，降低主模傳輸的截止頻率，以便在高次模出現之前，展寬單模工作的頻帶寬度，實現天線寬頻特性。

喇叭段分為雙脊結構和喇叭部分。雙脊結構的功能是改善饋電端到喇叭口徑之間的阻抗匹配。

圖1雙脊喇叭結構示意圖

2.1 脊波導部分的設計

雙脊喇叭天線的雙脊波導截面尺寸如圖2所示。

圖2雙脊波導截面尺寸

波導中的雙脊結構作為不連續結構，對傳輸的電磁波會產生影響，除了傳輸基模TE10外，還會激勵出高次模。在計算過程中，不連續結構可以在合理位置等效為電納，而當傳輸的電磁波為基模時，電納表現電容特性。單位長度的雙脊波導等效電路可以表示為電容電感的并聯形式［3］。等效電路中電容C由靜電電容CS和不均勻電容Cd組成。

單位長度的CS可由下式近似得到：

ε是波導中媒質的介電常數，在自由空間中其等于8.854×10-12F/m。

通過文獻［4］中介紹的場匹配法，得到不均勻電容Cd主要由階梯比b2b1決定：

其中x=b2b1。

因此，單位長度的雙脊波導電容C為

等效電路中的電感是由雙脊結構兩側的波導決定的。波導單位長度的電感L′可由下式給出：

式中μ是自由空間磁導率，取值4π×10-7H/m。

由此可得主模的截止頻率為

式（6）可做變換為

根據式（7）可描繪出雙脊波導截止波長λ′與

c波導寬邊長a1之比隨a2a1變化的曲線。文獻［5］指出，當2b1/a1=0.5時，雙脊波導的主模截止頻率最低，此時頻帶最寬且相對功率容量最大，如圖3所示。從圖3中可知，不同尺寸的雙脊波導的截止波長與寬邊長之比均大于2，即雙脊波導的截止波長λc′都大于矩形波導的截止波長2a1，由此可得出結論，在引入雙脊結構后，波導的主模截止頻率會出現明顯的降低。同理可得2b1/a1=0.5時雙脊波導TE20模的截止波長λc″與寬邊長之比隨a2a1變化的曲線，如圖4所示。

圖3波導主模截止波長與波導寬邊長之比

圖4波導TE20模截止波長與波導寬邊長之比

要有效地提高單模工作帶寬，就需要令主模的截止波長變長，高次模的截止波長變短［6］。從圖3中可以看出，主模截止波長與寬邊長之比的極大值出現在a2a1=0.45附近，但圖4顯示，TE20模截止波長與寬邊長之比的極小值卻出現在a2a1=0.2附近，作綜合考慮后決定取a2a1=0.25，令b2b1=0.2，則可以從圖3中得到λc′a1≈3.74，從圖4中得到λc″a1≈0.86。根據天線頻帶5GHz～18GHz的要求，求得主模截止波長為λc′=60mm，TE20模截止波長λc″=16.7mm。由此可以求出波導寬邊長度a1∈[16，19.4]mm，于是有波導窄邊長度2b1∈[8，9.7]mm，脊寬長度a2∈[4，4.85]mm，脊間距長度2b2∈[1.6，1.94]mm。綜合考慮各項指標要求，選取雙脊波導尺寸為a1=19.1mm，a2=4.78mm，2b1=8.2mm，2b2=1.6mm。

2.2 喇叭段部分的設計

根據雙脊矩形波導特性阻抗計算公式［7］可得：

其中，Ze∞為頻率無限大時脊波導的等效阻抗。根據式（2）可求得2Cdε≈8(F m)，結合式（8）和雙脊波導尺寸可進一步求得Ze=77Ω。

喇叭段中的脊結構呈指數曲線變化，從而使阻抗從脊波導的77Ω變換到喇叭口徑處自由空間的阻抗377Ω，并且保證在整個喇叭內阻抗的平滑過渡。根據圖1可得喇叭段脊結構沿著長度z，其阻抗Z(z)表示為如下形式［8］：

其中，k為常數，L為喇叭段總長。

根據式（9）可得喇叭脊的形狀曲線表達如下

上式中的C可以起到擴展頻帶寬的作用，通常由喇叭段與波導段連接處的雙脊間距2b2決定［9］，有C=b2/2。系數k可由式（10）確定。喇叭中點處的阻抗ZL2可近似為

結合式（9～10）可得近似的阻抗漸變的脊形狀曲線為

根據喇叭長度應大于最低工作頻率對應波長的一半（5GHz對應工作波長為60mm）及喇叭中點的阻抗為兩端阻抗的均值要求［10］，選取喇叭長度L=245mm，根據式（12）可求得喇叭口徑寬度2y(z=L)≈159mm。為了獲得更大的天線增益以及天線H面上更大的主瓣寬度，選取喇叭口徑長為280mm。

3 仿真結果

基于以上喇叭天線的理論分析，利用電磁仿真軟件HFSS，設計了如圖5所示的雙脊喇叭天線［11］。

圖5雙脊喇叭天線仿真模型

得到5GHz～18GHz頻帶內輸入反射系數曲線（圖6），6GHz、10GHz、15GHz頻點上的增益曲線圖（圖7～圖9）和15GHz處三維方向圖（圖10）。

圖6雙脊喇叭天線輸入反射系數曲線

圖7天線在6GHz頻點處的增益曲線圖

圖8天線在10GHz頻點處的增益曲線圖

圖9天線在15GHz頻點處的增益曲線圖

圖10天線在15GHz處波束的三維方向圖

圖6顯示，在5GHz～18GHz頻段內，天線輸入反射系數小于-9dB，滿足天線對頻帶寬度的要求［12］。

圖7～圖9顯示，天線在6GHz、10GHz、15GHz頻點上增益均大于15dB，H面主瓣寬度均大于14°。圖10顯示，在高頻點處天線仍具有良好的方向性，沒有出現明顯的主瓣分裂現象。

仿真結果表明，設計的雙脊喇叭天線能很好地滿足該主動雷達對天線的指標要求。

4 結語

利用雙脊喇叭天線的設計原理設計的5GHz～18GHz寬帶的雙脊喇叭天線，在整個頻段內輸入反射系數均小于-9dB，滿足C波段、X波段、Ku波段通用需求，同時在雷達各個波段的常用頻點6GHz、10GHz、15GHz上，具有較高增益、較寬主瓣波束以及良好的方向性。所設計的天線能很好地滿足某型檢測系統在檢測過程中雷達接收系統的各項指標要求，且三波段通用，符合微波器件對通用化的需求。該雙脊喇叭天線的設計可以為其他檢測系統各型微波器件的設計作參考。

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A Three-band High-gain Universal Double-ridged Horn Antenna

LI WeijieLI ShangshengFU ZhequanZOU Hanfeng
（Naval Aeronautical Engineering Institute，Yantai264001）

This paper introduces the double-ridged horn antenna which can be used in C，X，Ku-band radar receiving sys?tem，the antenna has small volume，wide frequency bandwidth and high gain.According to the structure of the antenna analysis of the relevant properties of ridge waveguide，horn and horn ridge structure segment size curve，the calculation method of the anten?na-related parameters is given.Simulation results show that the input return loss is less than-9dB within 5～18GHz bandwidth，and at 6GHz，10GHz，15GHz frequencies，the antenna gain is greater than 15dB，and there is no clear division of the main lobe.

double ridge horn，ridge waveguide，ridge structure curve，general，high gain

TN955+.1

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.014

2017年1月10日，

2017年2月20日

電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室課題（編號：CEMEE2016G0201）資助。

李煒杰，男，碩士研究生，研究方向：目標探測技術。李尚生，男，碩士，教授，研究方向：目標探測技術。付哲泉，男，博士研究生，研究方向：目標探測技術。鄒瀚鋒，男，碩士研究生，研究方向：目標探測技術。