加載介質(zhì)透鏡的高增益雙脊喇叭天線設(shè)計

羅永愿，彭 麟，廖 欣

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

寬帶喇叭天線廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、電磁兼容測試系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)增益測量,特別是雙脊喇叭天線(DRHA)，它是由Kerr 1973年最早提出的。隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，對喇叭天線的帶寬提出了更高的要求。為了擴展喇叭天線的帶寬，可以在喇叭中引入脊線，文獻[5]仿真了1～18 GHz的脊喇叭天線，但是低頻部分駐波比大于2。脊?fàn)罾忍炀€由于體積小、功率高、頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。在文獻[6]中，四脊喇叭天線的電磁波信號用來檢測醫(yī)學(xué)乳腺癌，并用來探測腫瘤。文獻[7]中，DRHA作為醫(yī)學(xué)雷達系統(tǒng)可用于成像和診斷。在文獻[8]中，DRHA發(fā)射的電磁波穿透人體，對人體脂肪層的厚度進行了研究分析。

傳統(tǒng)的脊喇叭天線存在低頻駐波比大、高頻方向圖分裂、全頻帶增益低、口徑效率低等缺點。在文獻[9]，對1～18 GHz喇叭天線進行了仿真分析,在12 GHz以上的頻率，輻射圖的主瓣開始分裂為4個副瓣，偏離軸向，因此有一些學(xué)者對雙脊喇叭天線進行了相應(yīng)研究與改善。在文獻[10]中，通過改變雙脊喇叭的脊平滑度，實現(xiàn)了良好的阻抗匹配，同時還使用了介質(zhì)塊來提高性能。文獻[11]通過改進脊波導(dǎo)的形狀，改進后的脊喇叭可以在1～18 GHz的頻率范圍內(nèi)保持單一輻射模式，從而保證了良好的輻射性能。

對于寬帶喇叭天線，喇叭口面的相位差較大，導(dǎo)致增益和口徑效率較低。一種解決方法是利用超材料進行相位補償,如文獻[12]利用三層螺旋偶極子單元組成的傳輸陣列，將喇叭發(fā)射的球面波轉(zhuǎn)為平面波，從而提高了饋源喇叭天線的增益。另一種方法是在口面處加載全介質(zhì)透鏡,如文獻[13]設(shè)計了一種梯形全介質(zhì)透鏡，使天線最大增益提高了5 dB。加載超表面的方法設(shè)計復(fù)雜、加工成本高，而用3D打印技術(shù)打印全介質(zhì)透鏡的方法簡單、成本低。因此，設(shè)計一種全介質(zhì)透鏡加載在脊喇叭上具有重要的意義。

文中設(shè)計了1～18 GHz寬帶雙脊喇叭天線，并在喇叭天線上加載了錐形全介質(zhì)透鏡，透鏡采用3D打印技術(shù)打印，具有結(jié)構(gòu)簡單和加工成本低的優(yōu)點，總厚度為40.5 mm。通過理論仿真分析設(shè)計全介質(zhì)透鏡，結(jié)果表明，設(shè)計的全介質(zhì)透鏡加載在雙脊喇叭天線上實現(xiàn)了高增益和較小的3 dB波束寬度，實測結(jié)果表明加載介質(zhì)的的天線增益提高了1～ 7 dBi，仿真曲線與實測曲線吻合較好，并且最大增益提高7 dBi，輻射性能良好。

2 天線設(shè)計分析與仿真實測結(jié)果

DRHA的設(shè)計包括背部脊波導(dǎo)腔體和喇叭部分的脊線設(shè)計和饋電部分的設(shè)計。DRHA結(jié)構(gòu)側(cè)面如圖1所示，饋電部分用N型同軸連接。為了避免在阻抗轉(zhuǎn)換中激發(fā)高階模，喇叭部分的長度應(yīng)大于最低工作波長的1/2。由于設(shè)計的工作頻率范圍是1～18 GHz，所以最低工作波長的一半是150 mm，取長度=164.8 mm。脊波導(dǎo)剖面和整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，背部是用挖斜槽的形式組成的脊波導(dǎo)，整體尺寸××=90 mm×65 mm×20.31 mm。

圖1 DRHA的側(cè)視圖

圖2 脊波導(dǎo)三視圖

雙脊可以看作是阻抗匹配變換器，使輸入端阻抗與喇叭口的空氣波阻抗匹配。脊線的設(shè)計對喇叭輸入端口的阻抗匹配起著重要的作用。當(dāng)喇叭的阻抗為以下形式時，可實現(xiàn)最佳性能:

(1)

式中:為喇叭截面的長度;為常數(shù);為長度的變量;為無限大頻率下脊波導(dǎo)的特性阻抗。通過調(diào)整喇叭模型參數(shù)，脊線的表達式為:

()=e+

(2)

由式(2)可知，喇叭脊線由系數(shù),,確定。喇叭的口徑尺寸為240 mm×134 mm。由于口面中心與兩側(cè)相差大，3 dB波束寬度較大。為了減少口面的相位誤差,提高天線的輻射性能，設(shè)計了一個錐形全介質(zhì)透鏡,加載在雙脊喇叭天線上,模型如圖3所示。介質(zhì)相對介電常數(shù)為= 2.6。介質(zhì)總厚=40.5 mm，前厚=6.7 mm，前長=134 mm，前寬=150 mm。

圖3 錐形全介質(zhì)透鏡模型

利用等光程原理進行分析，把介質(zhì)透鏡的側(cè)面曲線繪制出來，如圖4所示，假設(shè)點發(fā)出球面波，為了使發(fā)出的球面波在介質(zhì)面上有相同的相位，則應(yīng)滿足：

圖4 電磁波在介質(zhì)透鏡的傳播

(3)

設(shè)點的極坐標(biāo)為(,),式(3)可寫為：

=+(cos-)

(4)

根據(jù)幾何關(guān)系，點(,)的坐標(biāo)滿足：

(+)=+(+)

(5)

當(dāng)介質(zhì)透鏡側(cè)面曲線滿足式(5)時，球面波能在介質(zhì)表面上匯聚成平面波。仿真得到喇叭焦點在中心頻率10 GHz時的向坐標(biāo)值=87 mm,介質(zhì)的介電常數(shù)約為2.6，進而得到介質(zhì)的初始形狀，優(yōu)化后當(dāng)介質(zhì)透鏡形狀如圖3(b)時，可得到良好的結(jié)果。

為了進一步說明介質(zhì)加載使增益增強的工作機理，對喇叭的電場分布進行觀測。圖5為16 GHz加載介質(zhì)與不加載介質(zhì)的電場強度對比圖，從電場分布圖可以看出，加載介質(zhì)透鏡后，場分布更趨近于平面波。

圖5 (a)未加載介質(zhì) (b)加載介質(zhì)

對喇叭的電場分布進行數(shù)據(jù)處理和分析。圖6是加載透鏡后的16 GHz的介質(zhì)面上的相位分布和不加載透鏡的相位分布對比。由圖6可以看出，加載介質(zhì)透鏡后，相位差從中心與兩側(cè)的340°降低到160°,在16 GHz上的電場相位分布有了較大的改善，很大程度上修正了喇叭口面的相位誤差，相位分布較為均勻，在=0 mm附近趨于平面波。因此，加載介質(zhì)后增益有了明顯的提高。

圖6 加載與未加載介質(zhì)透鏡沿x軸的相位分布對比

為驗證仿真設(shè)計的正確性，對天線進行了加工和測試。圖7 (a)和圖7(b)是天線實物和環(huán)境測試。如圖8所示，未加載介質(zhì)時，天線具有較好的反射系數(shù)；在加載介質(zhì)時，實測與仿真的某些頻點的反射系數(shù)大于-10 dB。不加介質(zhì)時，喇叭口處可看成是相對介電常數(shù)為1的自由空間，加載介質(zhì)后相對介電常數(shù)變大，阻抗匹配稍微變差，實測結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢吻合較好。

圖7 (a)加載介質(zhì)喇叭實物 (b)S11環(huán)境測試

圖8 不加載介質(zhì)和加載介質(zhì)的仿真和實測反射系數(shù)

加載介質(zhì)透鏡后，喇叭天線的增益得到了提高，3 dB波束寬度減小。通過NSI2000測試系統(tǒng)對天線方向圖進行了實測驗證，實測環(huán)境如圖9所示。圖10分別給出了2 GHz，4 GHz，7 GHz，10 GHz，12 GHz,15 GHz以及17 GHz的面、面的加載介質(zhì)與不加載介質(zhì)的仿真與實測歸一化方向圖對比。從圖10可以看出，加載介質(zhì)透鏡后，方向圖的3 dB波束寬度減小，喇叭天線具有更強的定向性。部分頻率的實測E面副瓣出現(xiàn)裂瓣現(xiàn)象，可能是測試系統(tǒng)測試時出現(xiàn)抖動引起的。實測增益曲線和仿真增益曲線對比如圖11所示，仿真與實測曲線趨勢一致，實測增益在1～18 GHz頻段范圍內(nèi)加介質(zhì)與不加載介質(zhì)的增益對比增加了1～7 dBi，并在4 GHz以上增益穩(wěn)定提高了約4 dBi，在6 GHz與12 GHz附近的不加介質(zhì)的實測增益比仿真增益下降2 dBi，但是加載介質(zhì)后，增益曲線趨于穩(wěn)定，在11 GHz附近，實測最大增益提高約7 dBi，相對于不加載介質(zhì)，加載介質(zhì)后增益有了明顯的提高。

圖9 實測環(huán)境

圖10 仿真和實測E面和H面歸一化方向圖對比

圖11 有介質(zhì)透鏡和無介質(zhì)透鏡時的增益曲線對比

表1比較了一些雙脊喇叭天線及加載介質(zhì)的相關(guān)文獻研究。從表中可以看出，文中設(shè)計的加載介質(zhì)喇叭天線增益大于文獻[13，16],實測增益值在低頻時未提高，但設(shè)計在低頻處實測增益值提高了1 dBi左右，且最大提高增益達到7 dBi，在頻率相同的條件下，整體尺寸相對于文獻[13，17]要小。在不加介質(zhì)時，對比文獻[17]設(shè)計的1～18 GHz雙脊喇叭天線，雖然增益與波束寬度在整個工作頻段內(nèi)相對較穩(wěn)定，但總體尺寸相對較大，而文中設(shè)計的雙脊喇叭天線加載介質(zhì)后，與沒有介質(zhì)透鏡對比，增益有了較大提高。

表1 文中設(shè)計與其他文獻對比

3 結(jié)論

設(shè)計了1～18 GHz的雙脊喇叭天線，將介質(zhì)加載到喇叭口面，減小了喇叭口面的相位誤差，增強定向性。分析了加載介質(zhì)提高增益的機理，在工作頻率范圍內(nèi)增益值提高了1～7 dBi，增益曲線測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。使用3D打印技術(shù)設(shè)計了全介質(zhì)透鏡，具有結(jié)構(gòu)輕，易于加工和成本低的優(yōu)點，加載到天線使增益值有了明顯提高，而且天線整體尺寸相對較小，方向圖也有了較大改善。文中的設(shè)計具有良好的輻射性能，實現(xiàn)了介質(zhì)加載的高增益雙脊喇叭天線設(shè)計，可以應(yīng)用在要求更高的無線通信、雷達、反射面饋源以及EMC測量系統(tǒng)等領(lǐng)域。