一種超寬帶高增益的透鏡喇叭天線的設計

喬旭光，姜兆能,2，趙曉燕

(1.合肥工業大學 信息工程系，安徽 宣城 242000；2.毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京 210096)

0 引言

近年來，隨著超寬帶天線技術在雷達和通信系統中的廣泛應用，超寬帶天線的需求也逐步增長。其中，喇叭天線是最常用的一種天線結構。喇叭天線具有結構和饋電簡單，寬頻帶，高功率電容和高增益等優點。目前廣泛應用于識別和成像，隱形和反隱形，地面目標偵查和短距離無線通信場等領域中。適當選擇喇叭天線的尺寸和形狀可以實現良好的輻射特性，包括尖銳的主波瓣、低旁波瓣、高增益和低駐波比(VSWR)。喇叭天線不但可以作為獨立天線，也可以作為反射面天線的饋源，作為相控陣天線的一般天線單元，或者也可以作為對其他高增益天線進行校準和增益測試的通用標準。

目前已有大量關于喇叭天線的研究，如文獻[1]中提出了一種應用于0.2～2.5 GHz的超寬帶雙脊喇叭天線(DRHA)，采用新的同軸-脊波導轉換結構，改善了天線的駐波特性和增益特性。文獻[2]介紹了一種用于測試微波暗室中天線方向圖，工作在75～500 MHz的雙極化寬帶喇叭天線。文獻[3-5]分析了脊結構對喇叭天線性能的影響。文獻[6]提出在不改變天線尺寸和質量的情況下，利用介質透鏡消除DRHA的輻射模式惡化問題，同時改善了天線的帶寬和增益。

文章在參考以上研究的基礎上，提出了在喇叭天線上同時加載金屬脊和介質透鏡的方法。介質透鏡是根據幾何光學理論，將天線輻射的能量通過透鏡折射匯聚為高增益的波束輻射，從而在增強方向性的同時提高天線的增益，在文中用于改善喇叭天線的性能[7-9]。結果表明,介質透鏡的使用能顯著提高喇叭天線的增益。

1 天線結構描述

1.1 改進前喇叭天線的結構

圖1為喇叭天線的結構。由圖可知，該喇叭天線可分為波導、喇叭和饋電3部分。喇叭天線的總長度H為363 mm，開口尺寸(W×L)為260 mm×192 mm。輻射波沿z方向傳播。

圖1 喇叭天線的結構

同軸波導轉換器采用50 Ω同軸線作為饋電(見圖2(a))。由于常見波導的阻抗遠大于該同軸線的阻抗，內部導體必須遠離波導壁以防止阻抗失配。該同軸轉換器的具體尺寸如圖2(b)所示。同軸線的外部導體與波導相連。波導尺寸L5×W1×H1為27.2 mm×54.8 mm×78 mm。圖中,H5為同軸線內軸直徑，L1為超出外軸長度，H3為外軸內徑，H4為外徑，L2為長度。

圖2 同軸波導轉換結構的尺寸

1.2 加載金屬脊和透鏡的喇叭天線的結構

由于喇叭天線的主模傳輸頻率范圍受到波導尺寸的限制，為了擴大該喇叭天線的帶寬，天線在波導兩側使用雙楔形金屬脊，通過脊波導來降低主模的截止頻率，從而在高次模出現前展寬單模工作的頻帶。與此同時，在喇叭天線頂部加載球面介質透鏡，能夠有效補償由于楔形脊的應用造成的喇叭增益下降，而透鏡對喇叭天線的帶寬的影響幾乎可以忽略不計。介質透鏡提高增益的機理可以借鑒光學透鏡的相關理論來解釋。

喇叭天線的輻射分布如圖3所示，根據幾何光學理論，由饋源O發出的電磁波到達喇叭口徑面邊緣和口徑中心的路徑差為

(1)

圖3 透鏡提高增益的原理圖

由于饋源O發出的電磁波到達喇叭口徑面的傳播路徑長度不同，從而造成了喇叭口徑面相位差。口徑面相位差過大會導致口徑面效率降低，增益變小，副瓣升高，甚至會在主瓣上形成凹坑。

根據電磁波在不同介質中的相速、波長與介質的折射率n成反比，選用n>1的介質作為透鏡，使電磁波在介質透鏡中的波長變短，從而校正喇叭口徑面相位差。

由圖3可知，球面介質透鏡表現為中間厚，兩端逐漸變薄，這樣電磁波經過透鏡后，在天線口面的相位近似相等，成為等相位面，實現天線口面相位差校正。在O點到口徑面上任一點光程滿足的情況下，O點處的饋源發出的球面波在透鏡口徑平面上同相。

OP=OQ+n(QQ′)

(2)

該天線的結構如圖4所示。矩形波導兩側加載雙楔形金屬脊，脊的剖面結構為直角三角形結構。喇叭口徑面加載球面介質透鏡，表現為截取球形介質的一部分嵌入喇叭口徑內。透鏡的電介質材料為聚四氟乙烯，相對介電常數εr=2.1，n=1.45，介電損耗角tanδ=0.001。介質球體半徑為121.25 mm。介質球體球心和喇叭天線的開口面中心相距74.3 mm。楔形金屬脊和球面介質透鏡的具體結構尺寸如圖5所示。經過HFSS軟件的仿真，表1為該天線的最優尺寸數值。

圖4 帶金屬脊和透鏡的喇叭天線結構

圖5 雙楔形金屬脊和球面介質透鏡的具體結構尺寸

表1 天線的最優尺寸參數

2 仿真結果與討論

2.1 金屬脊對喇叭天線帶寬和增益的影響

在對上述喇叭天線的結構進行描述后，通過HFSS軟件對喇叭天線的參數進行仿真。

首先分析金屬脊對喇叭天線帶寬的影響。對有金屬脊和無金屬脊的喇叭天線的駐波系數進行分析(見圖6)。其中，“有脊天線”指的是帶有雙楔形金屬脊的喇叭天線，“無脊天線”指的是傳統喇叭天線。根據圖6分析，金屬脊可以將工作頻帶增加到2～12 GHz，與傳統喇叭天線的工作頻帶寬相比有顯著增加。對比喇叭天線在改進前、后的工作頻率點的最大增益值如圖7所示。由圖可知，在增加楔形金屬脊后，喇叭天線在一些頻率點處的增益明顯降低。

圖6 有脊天線和無脊天線的駐波比

圖7 有脊天線和無脊天線的最大增益值

2.2 透鏡對喇叭天線帶寬和增益的影響

圖8 帶金屬脊和透鏡的喇叭天線的最大增益曲線

為了補償金屬脊對喇叭天線增益的負面影響，利用球面介質透鏡校正喇叭口徑面相位差來提高天線增益。圖8為該天線在工作頻帶下的最大增益曲線。“加脊加透鏡”指的是結合了雙楔形金屬脊和球面介質透鏡的喇叭天線，“無脊無透鏡”指的是傳統喇叭天線，“帶脊天線”指的是只加載雙楔形金屬脊的喇叭天線。由圖8可知，加載介質透鏡的喇叭天線增益高于傳統喇叭天線，尤其是在6.5 GHz時最大增益提高了2.82 dBi。

圖9對喇叭天線的駐波比進行了分析。根據仿真結果，球面介質透鏡只增加了喇叭天線在工作頻帶內的增益，對喇叭天線的駐波比影響不大，其帶寬與只加金屬脊的天線帶寬相同。

圖9 帶金屬脊和透鏡的喇叭天線的駐波比

圖10分析了改進后喇叭天線在工作頻率為6 GHz時的輻射圖。對比加脊加透鏡改進天線與無脊無透鏡傳統天線輻射圖可以發現，該天線輻射方向圖的主波瓣高于傳統喇叭天線，且波束寬度有明顯改善。

圖10 改進后喇叭天線在6 GHz頻率下的輻射圖

2.3 改進后天線的遠場區輻射方向圖

為了突出喇叭天線在加載介質透鏡后其輻射特性的顯著提升，圖11、12為使用介質透鏡前、后的天線三維輻射方向圖。對比圖11、12可知，使用透鏡后，天線在6 GHz下的最高增益由20.93 dBi提高到22.87 dBi，其主波瓣變窄，副波瓣降低，方向性明顯較使用透鏡前優異。由此可見，介質透鏡的使用改善了喇叭天線的性能。

圖11 無透鏡喇叭天線在6 GHz下的三維輻射圖

圖12 帶透鏡喇叭天線在6 GHz下的三 維輻射圖

3 結束語

本文介紹了一種超寬帶高增益的喇叭天線，利用雙楔形金屬脊和球面介質透鏡來提高天線的性能。仿真結果表明，該天線的工作頻率在2～12 GHz，其駐波比小于2(相對帶寬為142.8%)。此外，球面介質透鏡在工作頻帶內有效提高了天線的增益。本文提出的天線適合作為其他寬帶應用中的發射天線。在未來的工作中，可以采用其他參考文獻中的一些成熟技術來進一步提高天線的性能。