加載介質(zhì)透鏡的高增益雙脊喇叭天線設(shè)計(jì)

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(dá)系統(tǒng)、電磁兼容測(cè)試系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)增益測(cè)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(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)喇叭天線的帶寬提出了更高的要求。為了擴(kuò)展喇叭天線的帶寬，可以在喇叭中引入脊線，文獻(xiàn)[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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。在文獻(xiàn)[6]中，四脊喇叭天線的電磁波信號(hào)用來(lái)檢測(cè)醫(yī)學(xué)乳腺癌，并用來(lái)探測(cè)腫瘤。文獻(xiàn)[7]中，DRHA作為醫(yī)學(xué)雷達(dá)系統(tǒng)可用于成像和診斷。在文獻(xiàn)[8]中，DRHA發(fā)射的電磁波穿透人體，對(duì)人體脂肪層的厚度進(jìn)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(diǎn)。在文獻(xiàn)[9]，對(duì)1～18 GHz喇叭天線進(jìn)行了仿真分析,在12 GHz以上的頻率，輻射圖的主瓣開(kāi)始分裂為4個(gè)副瓣，偏離軸向，因此有一些學(xué)者對(duì)雙脊喇叭天線進(jìn)行了相應(yīng)研究與改善。在文獻(xiàn)[10]中，通過(guò)改變雙脊喇叭的脊平滑度，實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配，同時(shí)還使用了介質(zhì)塊來(lái)提高性能。文獻(xiàn)[11]通過(guò)改進(jìn)脊波導(dǎo)的形狀，改進(jìn)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(duì)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(jìn)行相位補(bǔ)償,如文獻(xiàn)[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(xiàn)[13]設(shè)計(jì)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(jì)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(jiǎn)單、成本低。因此，設(shè)計(jì)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(jì)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(jiǎn)單和加工成本低的優(yōu)點(diǎn)，總厚度為40.5 mm。通過(guò)理論仿真分析設(shè)計(jì)全介質(zhì)透鏡，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的全介質(zhì)透鏡加載在雙脊喇叭天線上實(shí)現(xiàn)了高增益和較小的3 dB波束寬度，實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(jì)分析與仿真實(shí)測(cè)結(jié)果

DRHA的設(shè)計(jì)包括背部脊波導(dǎo)腔體和喇叭部分的脊線設(shè)計(jì)和饋電部分的設(shè)計(jì)。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(zhǎng)度應(yīng)大于最低工作波長(zhǎng)的1/2。由于設(shè)計(jì)的工作頻率范圍是1～18 GHz，所以最低工作波長(zhǎng)的一半是150 mm，取長(zhǎng)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(jì)對(duì)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(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳性能:

(1)

式中:為喇叭截面的長(zhǎng)度;為常數(shù);為長(zhǎng)度的變量;為無(wú)限大頻率下脊波導(dǎo)的特性阻抗。通過(guò)調(diào)整喇叭模型參數(shù)，脊線的表達(dá)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(jì)了一個(gè)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(duì)介電常數(shù)為= 2.6。介質(zhì)總厚=40.5 mm，前厚=6.7 mm，前長(zhǎng)=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(jìn)行分析，把介質(zhì)透鏡的側(cè)面曲線繪制出來(lái)，如圖4所示，假設(shè)點(diǎn)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(diǎn)的極坐標(biāo)為(,),式(3)可寫(xiě)為：

=+(cos-)

(4)

根據(jù)幾何關(guān)系，點(diǎn)(,)的坐標(biāo)滿足：

(+)=+(+)

(5)

當(dāng)介質(zhì)透鏡側(cè)面曲線滿足式(5)時(shí)，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(diǎn)在中心頻率10 GHz時(shí)的向坐標(biāo)值=87 mm,介質(zhì)的介電常數(shù)約為2.6，進(jìn)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(shí)，可得到良好的結(jié)果。

為了進(jìn)一步說(shuō)明介質(zhì)加載使增益增強(qiáng)的工作機(jī)理，對(duì)喇叭的電場(chǎng)分布進(jìn)行觀測(cè)。圖5為16 GHz加載介質(zhì)與不加載介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比圖，從電場(chǎng)分布圖可以看出，加載介質(zhì)透鏡后，場(chǎng)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(duì)喇叭的電場(chǎng)分布進(jìn)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(duì)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(chǎng)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(duì)比

為驗(yàn)證仿真設(shè)計(jì)的正確性，對(duì)天線進(jìn)行了加工和測(cè)試。圖7 (a)和圖7(b)是天線實(shí)物和環(huán)境測(cè)試。如圖8所示，未加載介質(zhì)時(shí)，天線具有較好的反射系數(shù)；在加載介質(zhì)時(shí)，實(shí)測(cè)與仿真的某些頻點(diǎn)的反射系數(shù)大于-10 dB。不加介質(zhì)時(shí)，喇叭口處可看成是相對(duì)介電常數(shù)為1的自由空間，加載介質(zhì)后相對(duì)介電常數(shù)變大，阻抗匹配稍微變差，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢(shì)吻合較好。

圖7 (a)加載介質(zhì)喇叭實(shí)物 (b)S11環(huán)境測(cè)試

圖8 不加載介質(zhì)和加載介質(zhì)的仿真和實(shí)測(cè)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(guò)NSI2000測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天線方向圖進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證，實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)歸一化方向圖對(duì)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(qiáng)的定向性。部分頻率的實(shí)測(cè)E面副瓣出現(xiàn)裂瓣現(xiàn)象，可能是測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)引起的。實(shí)測(cè)增益曲線和仿真增益曲線對(duì)比如圖11所示，仿真與實(shí)測(cè)曲線趨勢(shì)一致，實(shí)測(cè)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(duì)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)最大增益提高約7 dBi，相對(duì)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(shí)測(cè)環(huán)境

圖10 仿真和實(shí)測(cè)E面和H面歸一化方向圖對(duì)比

圖11 有介質(zhì)透鏡和無(wú)介質(zhì)透鏡時(shí)的增益曲線對(duì)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(xiàn)研究。從表中可以看出，文中設(shè)計(jì)的加載介質(zhì)喇叭天線增益大于文獻(xiàn)[13，16],實(shí)測(cè)增益值在低頻時(shí)未提高，但設(shè)計(jì)在低頻處實(shí)測(cè)增益值提高了1 dBi左右，且最大提高增益達(dá)到7 dBi，在頻率相同的條件下，整體尺寸相對(duì)于文獻(xiàn)[13，17]要小。在不加介質(zhì)時(shí)，對(duì)比文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)的1～18 GHz雙脊喇叭天線，雖然增益與波束寬度在整個(gè)工作頻段內(nèi)相對(duì)較穩(wěn)定，但總體尺寸相對(duì)較大，而文中設(shè)計(jì)的雙脊喇叭天線加載介質(zhì)后，與沒(méi)有介質(zhì)透鏡對(duì)比，增益有了較大提高。

表1 文中設(shè)計(jì)與其他文獻(xiàn)對(duì)比

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)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(qiáng)定向性。分析了加載介質(zhì)提高增益的機(jī)理，在工作頻率范圍內(nèi)增益值提高了1～7 dBi，增益曲線測(cè)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(jì)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(diǎn)，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(duì)較小，方向圖也有了較大改善。文中的設(shè)計(jì)具有良好的輻射性能，實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)加載的高增益雙脊喇叭天線設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用在要求更高的無(wú)線通信、雷達(dá)、反射面饋源以及EMC測(cè)量系統(tǒng)等領(lǐng)域。