1～5GHz超寬帶雙脊喇叭天線的設計

王菲

（中國電子科技集團公司第二十研究所 陜西省西安市 710068）

1 引言

由于寬帶喇叭天線結構簡單，方向性好，相位中心穩定，在通信、雷達、電磁兼容和電子對抗等領域得到廣泛應用，在微波測量系統中被大量的用作標準測量天線。本文根據寬帶波導理論設計了一種頻率范圍為1GHz～5GHz 的超寬帶加脊喇叭天線，測試結果可見全頻段內駐波比最大值為2.8，對1.18G、1.33G、2.9G、4.3G 等四個頻點進行方向圖測試，均具有良好的增益曲線平坦度，測試頻點最小增益為4.53dBi，且全頻段內方向圖均未分裂。

2 喇叭天線的設計

圖1 為加脊喇叭天線的結構示意圖，天線由激勵段、脊波導段、加脊喇叭段組成。本設計中天線的工作頻率范圍為 1GHz～5GHz，要求喇叭部分截止頻率應低于1GHz，且在上述頻率范圍內膜傳輸[1]。

圖1：寬帶加脊喇叭天線結構圖

雙脊喇叭天線設計中，優化脊波導部分尺寸，可改善饋電端到喇叭口徑之間的阻抗匹配。在雙脊波導[2]的設計中，波導截面如圖2所示，長邊和短邊分別為a，b，脊寬和脊間距分別為a1，b1。

圖2：雙脊波導截面圖

其中，脊波導的截止頻率為：

脊波導的截止波長為：

脊波導的特征阻抗為：

其中，式（3）中的λc 為脊波導截止波長，λ0為自由空間波長，Z∞為λ 趨于零時脊波導的等效阻抗。

由于脊棱邊緣電容效應，如式（1）和（2）所示，脊波導主模TE10 模的截止頻率比矩形波導TE10 模的截止頻率低，而其TE20 模的截止頻率比矩形波導的TE20 模的截止頻率高。因此，脊波導單模工作的頻率很寬。同時因其等效阻抗很低，脊波導一般用來做阻抗變換的過渡結構。

由上，由截止頻率λc 得到a1、b1 的初始數據，利用Ansoft HFSS電磁仿真軟件建立最初三維仿真模型,對 a1、b1尺寸進行優化,得到λc 所對應的a1、b1 精確值。從同軸饋電端到短路面間的脊波導部分為短路段部分, 該部分對于展寬變換的帶寬有著很大作用。本文設計中，結合直波導段的參數建立同軸脊波導變換的三維仿真模型，對饋電點到短路面的距離、短路段的脊高等參數進行優化，得到最優尺寸。

喇叭段尺寸的確定與常規喇叭設計相似，為了避免阻抗變換過程中激起高次模，喇叭的長度應大于天線最低工作波長的一半。當喇叭段的阻抗滿足下式時，同軸饋電點阻抗 50Ω 可較好的過渡到喇叭口自由空間阻抗 377Ω。

z0=10∞ekx，0 ≤x ≤l/2

z0=377+z0∞(1‐ek(1‐x))，l/2 ≤x ≤l

其中，l 為喇叭段長度，k 為常數（喇叭兩端阻抗的平均值即為喇叭中心阻抗）。因此，喇叭段的雙脊結構，其形狀曲線一般也為指數形式[4,5]。以下曲線公式中，附加的線性項可拓寬喇叭低頻帶寬，且可縮短喇叭段的軸長。

y=Aekx+C

與常規雙脊喇叭結構相比，本設計中喇叭天線部分去除了喇叭的窄壁部分，其作用是為了減小天線尺寸、降低天線重量、降低駐波比、改善高頻方向圖波瓣裂變的情況。

3 脊喇叭天線的設計及計算結果

基于以上計算及分析，利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS，對最初設計模型進行大量仿真優化，最終的雙脊喇叭天線最終結構模型如圖3所示。

圖3：雙脊喇叭天線仿真模型

雙脊喇叭天線實物如圖4所示。天線具體尺寸為：喇叭口面121mm×145mm，波導段底面79mm×40mm，波導段長度38mm，喇叭的軸向長度81.6mm。天線重量約0.8Kg，同軸接頭為 N‐50K。

圖4：超寬帶雙脊喇叭天線實物

圖5 為仿真計算的駐波比和實測駐波比對照圖，仿真帶內駐波最大值為2.72，實測帶內最大值為2.8，兩者基本相當且駐波曲線基本一致，天線相對帶寬達到130%。圖6至圖9給出了1.18G、1.33G、2.9G、4.3G 四個頻點增益的仿真和實測曲線對比圖。對比可見，增益的實測結果和仿真結果曲線變化趨勢基本一致，但低頻增益差異較大。仿真結果是理想狀態下得到的，而由于加工誤差、天線裝配導致的結構縫隙、測試場地反射、環境變化等復雜情況都有可能造成增益的變化，使得實際測試與仿真數據不完全吻合。雖然實測和仿真的結果有一定差異，但均未出現波瓣分裂。

圖5：雙脊喇叭天線駐波

圖6：雙脊喇叭天線1.18GHz 俯仰面方向圖

圖7：雙脊喇叭天線1.33GHz 俯仰面方向圖

圖8：雙脊喇叭天線2.9GHz 俯仰面方向圖

圖9：雙脊喇叭天線4.3GHz 俯仰面方向圖

4 結論

本文給出了一種超寬帶雙脊喇叭天線的設計方法，利用Ansoft HFSS 電磁仿真軟件進行仿真優化并對加工實物進行測試，仿真和測試結果基本吻合。實測1～5G 全頻段內駐波VSWR<2.8；帶內增益較高，整個頻率范圍內增益G>4.53dBi；且全頻段內方向圖均未開裂，具有較優的輻射性能。