8～18GHz 雙脊喇叭天線的設計與仿真

周嫄 屈樂樂 杜新悅 張旭

(1.沈陽航空航天大學電子信息工程學院,遼寧沈陽 110136;2.沈陽飛機工業(集團)有限公司,遼寧沈陽 110850)

0 引言

喇叭天線具有結構簡單、功率容量大、頻帶寬、方向圖容易控制和易于制造的優點,是微波天線家族中既經典又簡單,被廣泛應用于微波領域的一種天線。隨著微波技術的發展,電磁環境日益復雜,喇叭天線要達到更高的頻帶范圍、更好的定向性。本文根據波導理論設計了一款工作于8～18GHz的雙脊喇叭天線,并經過HFSS仿真,得到了較為理想的仿真結果,可以滿足更高的工程要求。

1 雙脊喇叭天線的結構

喇叭天線通常在結構上分為波導段和喇叭段,波導段內傳輸的電磁波是TE10波,喇叭段內的場分布十分復雜,有限長喇叭內的場分布通常可以用無限長喇叭內的場分布近似的表示[1]。假設喇叭長度是無限的,喇叭壁是理想導體,喇叭內的介質為空氣,基于這些假設采用圓柱坐標系,求解麥克斯韋方程組,就能夠解出喇叭內的電磁場分布。

在波導部分和喇叭張開部分中間加入脊結構即是雙脊喇叭天線。波導段部分分為后腔和脊波導,后腔可以將波導內被激勵起的高次模濾除,脊波導降低了主模傳輸的截止頻率,從而展寬頻帶寬度。喇叭輻射段部分長度一般大于最低工作頻率波長的一半,可以保證高次模不被激起。脊可以看作一個阻抗匹配元件,波導的主模截止波長變大。脊波導具有低阻抗特性,該特性能使波導在與其它類型的傳輸線連接時,阻抗匹配也更好[2]。加脊喇叭天線要比同頻帶的一般的喇叭天線體積要小,增益比同頻帶的一般的喇叭天線要高。

表1 喇叭天線的尺寸Tab.1 Size of horn antenna

2 天線的設計

我們首先需要計算出8～18GHz的雙脊喇叭天線的喇叭口徑寬度、口徑高度以及喇叭長度,還有附帶波導的寬度、高度與長度。波導尺寸a、b,要保證波導內只傳輸TE10的波。如果給定波長 λ,通常取a=0.72 λ。在本設計中,為了節省仿真資源這里我們按照國際標準選取尺寸相近的波導W R 11 2 型號。

計算工作頻率對應的波長,將增益和波長值代入到(式1)、(式2)和(式3)中。

其中, εap=0.5。在本設計中,波導長度取5/4個波長。選取波導底部作為激勵面,從而形成電場激勵方式。詳細設計尺寸見表1。

饋電部分為加脊波導,饋電方式為同軸饋電。由于天線使用的頻帶較寬且最高可達18GHz,本設計使用較細的同軸線,同軸線的內芯直徑取Φinner=0.28mm,外導體內徑取Φout=0.92mm。

要使阻抗從50Ω(饋電同軸線的阻抗)平滑過渡到377 Ω(自由空間的阻抗),一般選擇最大截止波長的一半為初始參數,脊的曲線一般選用指數漸變線。指數漸變線的方程能夠用(式4)和(式5)所示:

θ 取值范圍為[0,π],r是旋轉線圓的半徑。變量r值給出之后,經計算得出喇叭天線口徑為4r+b1,天線喇叭線段長度為πr,通過協調比例參數可以調節線性長度。根據上文計算得出喇叭段長度8 6 m m,喇叭口徑1 0 2 m m×71mm的基礎上,推算出半徑r=27.5mm。

圖1 雙脊喇叭天線仿真模型Fig.1 Simulation Model of double ridged horn antenna

3 HFSS仿真模型

本次試驗采用的是由美國Ansoft公司研發的高頻仿真軟件HFSS,該軟件能夠對三維目標進行全方面分析。該軟件依據有限元理論,可求得相對準確的仿真結果,是進行電磁場設計和分析的有力工具[3]。進行目標仿真首先需要建立目標的三維模型,并且按照實際設計設置模型的材料屬性和輻射邊界, 然后設置目標的剖分尺寸,添加平面波激勵,使其符合場特性,最后準確設置參數并進行求解。

按照上文計算得出的雙脊喇叭天線的尺寸建立模型(圖1),進行求解設置及仿真分析。

4 仿真結果分析

經過求解分析,其回波損耗可以穩定在-10dB以下,具有較為良好的傳輸特性。脊之后隨著工作頻率的提高,天線增益從12dB遞增到了16dB,同樣能夠滿足天線使用的要求。

如圖2所示,(a)(b)分別是雙脊喇叭天線在13GHz、18GHz兩個典型頻點的E面和H面的歸一化方向圖,能夠觀察得到,13GHz在主方向天線的輻射依然是對稱的,前后比良好。而在18GHz時可以看出,輻射已經出現偏移,旁瓣增加,但能夠滿足使用需求。

圖2 喇叭天線歸一化方向圖Fig.2 Normalized pattern of horn antenna

圖3 8～18GHz 喇叭天線回波損耗仿真結果圖Fig.3 Simulation results of return loss of 8-18GHz horn antenna

本文還對8 ～1 8 G H z 普通喇叭天線進行了仿真,從其回波損耗結果分析,如圖3所示,8～18GHz喇叭天線的中心頻率為13.6G Hz,符合要求,然而回波損耗S11為-19 dB。隨著頻率的增大,波導與喇叭口的不匹配損耗呈現近似線性增長。

5 結語

從喇叭天線的基本理論及分析方法設計出8～18GHz帶寬的雙脊喇叭天線,利用高頻結構仿真軟件HFSS對該天線和同頻段的普通喇叭天線進行仿真,結果表明,該天線具有更高的增益和更一致的方向圖,回波損耗穩定在-10dB以下,具有良好的電性能和輻射性能。