基于3D打印技術的梯形凹槽雙脊喇叭天線

張 勝，徐 聰，謝振江，王 俊

(1.中國礦業大學 信息與控制工程學院，江蘇 徐州 221116；2.東南大學 信息科學與工程學院毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京 211189)

0 引言

隨著無線通信的快速發展，加脊喇叭天線憑借其寬帶寬、方向性好及頻率特性優等特點而得到廣泛應用，但天線旁瓣抑制仍是喇叭天線設計中的難點之一。超材料[1]、電磁帶隙結構(EBG)[2]和頻率選擇表面[3]等均可用來調節天線旁瓣，但這些材料和結構在加工制造上較難實現，且制成的天線無法控制遠場輻射。凹槽結構可產生表面波和同相輻射，能提高天線方向性，抑制高階模式和減少輻射場的交叉極化分量，也可用來抑制天線的旁瓣。凹槽效應可用TE或TM表面波阻抗及輻射場的色散關系表征[4]，已被廣泛應用于各類天線中[5-6]。

由波導壁張開延伸得到傳統的喇叭天線，其結構較簡單。為了滿足更高的性能要求和更多的應用場景，天線結構變得越來越復雜，傳統的加工方法已無法滿足喇叭天線的加工要求。3D打印技術具有環保、生產周期短和一次成型等優點，這為現代微波電路加工提供了一條優選途徑[7-8]。本文采用3D打印技術設計了帶有梯形凹槽的雙脊喇叭天線。通過在天線口徑面和外側壁添加兩組梯形槽，可有效抑制喇叭外壁上的電流，降低天線旁瓣且增加了天線增益。此外，天線的相對帶寬達到67%，空心的喇叭壁結構可使天線質量減少74%。

1 天線的幾何結構

本文設計的梯形凹槽雙脊喇叭天線尺寸如圖1所示。在傳統的雙脊喇叭天線的基礎上，通過增加喇叭段的壁厚來延長電流路徑，兩組梯形槽分別分布在天線口徑面和外側壁。天線的饋電方式為同軸饋電，材料為AlSi10Mg(導電率為6×105S/m[9])，天線喇叭壁設計成壁厚為1 mm空心結構。天線優化后的結構尺寸：d1=14 mm,d2=13.9 mm,d3=26.3 mm,d4=47.7 mm,d5=9 mm,d6=110 mm,d7=110 mm,d8=1 mm,凹槽寬度W1=5 mm,W2=1 mm,W3=4 mm,W4=3 mm,a1=24.1 mm,a2=44.1 mm,a3=24.1 mm,a4=44.1 mm,b1=20 mm,h1=17 mm,凹槽深度h2=6 mm,Jw=10.3 mm,Ja=4.3 mm。

圖1 天線的幾何尺寸

2 天線設計原理

角錐喇叭的E面壁是逐漸張開的，電場與E面壁不再垂直，而存在夾角。為了滿足金屬邊界條件，E面壁上會產生指向口徑方向的壁電流,但壁電流不會流到喇叭口徑面處消失，反而會繞過口徑面繼續流到外壁。這種存在于外壁的電流易產生旁瓣。雖然H面壁也是逐漸張開的，但由于輸入模為TE10模，所以在H面的電場始終近似為0。因此,本文通過在E面壁添加2組梯形凹槽來阻止壁電流，達到降低旁瓣的效果。

圖2(a)為本文采用的雙脊喇叭天線初始結構圖。在5～10 GHz內，該天線增益為7.5～12.4 dBi，如圖3(a)所示。天線的脊曲線采用二次方程[10]:

(1)

圖2 天線結構圖

(2)

(3)

W1?λ

(4)

式中：λ為波長；n∈Z+。

因為凹槽是提高增益、降低旁瓣的主要途徑，所以本文對2組凹槽進行分步優化分析，其主要步驟如下：

1) Set Ⅰ的優化。圖3為W2的參數分析。由圖3(a)可知，凹槽對高頻增益的影響較大。隨著W2的減小，高頻段內的增益逐漸變大。當W2=1 mm時，增益提高約3.2 dBi。9 GHz時電流分布如圖3(b)所示，電流主要分布在凹槽中間和喇叭口周圍。電流在凹槽處產生強烈的諧振，減少了流向外側壁的電流，從而有效地抑制了旁瓣。由圖3(c)可知，與無槽天線相比，當W2=1 mm時旁瓣電平降低了7 dB。

圖3 W2的參數分析

2) Set Ⅱ的優化。圖4為W4的參數分析。由圖4(a)可看出，Set Ⅱ可有效地提高低頻段的增益，當W4=3 mm時，增益表現最優。7 GHz時電流分布如圖4(b)所示，電流主要分布在凹槽兩端。由于凹槽兩端朝外側延伸，易造成電流流失，故導致在6.8～7.2 GHz頻段內增益小于無槽天線。由圖4(c)可知，槽底W4對旁瓣的影響較大。與無槽天線相比，當W4=3 mm時，凹槽天線旁瓣電平小于-18 dB，旁瓣特性比無槽天線提高了約4 dB。

圖4 W4的參數分析

3) 總體性能分析。將優化后的2組凹槽同時加入天線，并對4種情況下性能參數進行比較，如圖5所示，加槽天線的回波損耗S參數均與無槽天線相吻合。與無槽天線相比，帶有2組凹槽天線的低頻增益和高頻增益分別提高了6 dBi和4 dBi，在整個頻段內大于10 dBi。

圖5 天線加槽前后的參數對比

為了減少成本和降低天線質量，本文將喇叭壁設計成壁厚為1 mm的空心結構。天線利用EOS M280打印機通過直接金屬激光燒結(DMLS)技術進行制作。此款3D打印機使用功率為200 W的激光器，能實現波長約1 μm的激光輸出，掃描速度高達7 m/s，能打印的最大器件尺寸為250 mm×250 mm×325 mm；此外，天線的打印精度與打印材料有關。本文使用的打印材料為AlSi10Mg(導電率為6×105S/m)，其加工精度為100 μm，表面粗糙度Ra=15 μm，可打印的最小壁厚為300～400 μm。加工的天線如圖6所示。經測量，天線質量由原來的537 g降低到141 g。

圖6 天線實物圖

3 結果分析

圖7為使用KEYSIGHT E5063A網絡分析儀對天線進行測量的環境。圖8為天線S參數的仿真和測量結果。由圖可見，在頻率5～10 GHz時，天線的工作帶寬優于-10 dB。由于加工精度的原因導致測量結果發生了頻率偏移。圖9為天線增益的仿真和測量結果。由圖9可看出，在整個頻段內，天線增益有顯著提高。本文提出的天線峰值增益為14.75 dBi，比無槽天線高2.34 dBi。測試結果與模擬結果基本一致。

圖7 天線的測量環境

圖8 天線S參數的仿真和測量結果

圖9 天線增益的仿真和測量結果

圖10為遠場輻射圖。在6 GHz時，E、H面的旁瓣分別減少了2.4 dB和4.2 dB。在7.5 GHz時，旁瓣分別減小11.2 dB和10.6 dB。在9 GHz時，旁瓣分別減小了0.7 dB和9.7 dB。E、H面的交叉極化水平均小于-21 dB。仿真結果與實測值吻合較好，天線旁瓣抑制較好。

圖10 天線在不同頻率的遠場輻射方向圖

4 結束語

本文提出了一種基于3D打印技術的雙脊喇叭天線。在天線口徑面和外側壁添加2組梯形凹槽結構，實現了降低旁瓣、提高增益的目的。經過仿真分析和實驗驗證，在工作頻帶5～10 GHz內，天線擁有較低的旁瓣，天線增益高于10.32 dBi，峰值增益達14.61 dBi。喇叭部分經過中空處理后，天線質量降低了約74%。運用3D打印技術對天線進行加工制作，解決了天線結構復雜且難以加工的問題。該天線具有質量小，成本低及性能高等優點，可廣泛應用于衛星通信系統中。