超寬帶雙極化喇叭天線仿真設計

胡林仁，段東洋，郭慶功

（四川大學電子信息學院，成都 610065）

0 引言

喇叭天線具有結構簡單、功率容量大、頻帶寬、方向圖易于控制等特點，被廣泛應用于電磁兼容測試、雷達和通信系統。但傳統喇叭的最大工作帶寬約為2∶1。通常，在高階模式出現之前，一般是在喇叭內部加入脊結構來拓展帶寬。當一對脊加載在波導的寬壁上，被稱為雙脊喇叭天線。其中，文獻［6］設計了一款工作在1～18 GHz 的超寬帶雙脊喇叭天線，對喇叭段喇叭部分的曲線增加了線性部分，駐波比在全頻段小于2.4，但其方向圖在12 GHz時出現嚴重的裂瓣現象。近年來，喇叭天線已推廣應用于測量消聲室中的三維圖案、醫學檢測、微波成像等領域，受單極化喇叭天線制約，常需采用雙極化四脊喇叭天線來滿足工程需求。其中，文獻［8］中提出了一種工作在8～18 GHz的寬帶雙極化喇叭天線，其駐波比小于2.6，隔離度大于20 dB，在18 GHz 時天線E面的主瓣會偏移15°左右。文獻［10］設計了一款工作頻段為3.63～10.74GHz 的雙極化四脊喇叭天線，該天線兩端口駐波比在工作頻段內小于2，隔離度大于39 dB。文獻［12］研究了一款在4～13.6 GHz 頻段內的雙極化寬帶喇叭天線，駐波比小于2，通過加入介質材料阻抗帶寬可拓展到2.5～14 GHz。

目前四脊喇叭天線的研究中仍存在：在實現雙極化的同時犧牲了帶寬、阻抗帶寬與方向圖帶寬或穩定的單向輻射模式不能兼顧等缺點。文獻［12］研究了一款工作頻率為1.95～20 GHz的雙極化四脊喇叭天線，其倍頻程達到了10.25∶1，在脊的設計中引入了由指數和橢圓部分組成的新錐形線，天線的阻抗帶寬為VSWR＜2.5，隔離度大于41 dB，天線的方向圖良好。文獻［13］設計了一款工作頻段為0.6～9.4 GHz四脊雙極化喇叭天線，其工作帶寬拓展到了15.7∶1，駐波比在全頻段內小于2，兩端口隔離度大于30 dB。

本文設計了一款工作在1～18 GHz頻段內的寬帶四脊喇叭天線，采用三階貝塞爾曲線作為脊曲線，同時對脊結構進行優化，仿真結果表明天線具有良好的駐波、增益及輻射特性。

1 天線結構設計

在四脊喇叭天線中，沿波導的寬壁和喇叭的喇叭形部分都引入了脊。大多數電場被限制在四個脊之間，這增加了脊之間的有效電容，同時降低了主模的截止頻率。天線的特征阻抗也隨著兩對脊之間的間隙減小而減小。脊還略微提高了高次模的截止頻率。這些因素都使天線的工作帶寬得到了極大的提高。

四脊喇叭天線剖面圖如圖1 所示。它主要是由喇叭部分、 波導段及饋電激勵結構三部分構成。

圖1 天線結構示意圖

1.1 喇叭部分設計

在喇叭部分中，脊曲線的形式至關重要，主要起阻抗漸變的作用，使喇叭天線從四脊波導過渡到自由空間的波阻抗377 Ω，其長度也應大于最大工作波長的一半，以確保不激勵出高階模式。因此，在設計脊曲線時，應恰當選擇脊的輪廓，以實現良好的傳輸與輻射特性。目前，常用的脊曲線形式有許多，如線性、二次型、指數型和高斯型，不同類型的脊對天線性能的影響較大。研究發現，將喇叭口徑處的脊曲線形式修改成圓弧狀時，可實現更好的阻抗匹配，同時可有效減小喇叭口面上的反射。傳統的脊曲線一般是在選定的脊曲線形式后添加一圓弧項來實現上述性能，在設計時難以控制變量進行優化設計，本文采用三階貝塞爾曲線形式的脊曲線，彌補了傳統脊曲線的不足，同時可較好地滿足喇叭的設計需求，其數學表達式為：

如圖2 所示，表示三階貝塞爾曲線沿喇叭軸向的長度，表示相對的脊之間距離的一半。實現三階貝塞爾曲線須有四個點的點坐標，其中，為起點，是終點，、分別是起始點和終止點的控制點，其具體坐標值如表1所示。

圖2 脊結構示意圖

表1 貝塞爾曲線點描述

1.2 波導段設計

波導段可分為脊波導段和反射腔兩部分。在脊波導段，其橫截面結構如圖3（a）所示，由于相對的脊之間的距離對天線性能影響很大，而脊之間的距離與脊波導主模的截止頻率成正比，脊間距越小，主模截止頻率越低。在圓形波導正中，當直接采用方形結構保持較小的脊間距時會導致各個脊相互交叉。為解決此問題，將脊波導的末端進行倒角處理，可有效縮短脊與脊之間的間距。如圖3（b）中的結構所示，將脊的末端削成鍥形結構，避免了各個脊相互交叉，減小了脊間距，使得天線的工作頻率向低頻擴展的更多。

圖3 四脊波導結構示意圖

天線的反射腔是短路板到饋電同軸線之間的部分，其長度一般為最小工作波長的一半左右。反射腔末端的短路片可以有效提高背向輻射對天線性能的影響。反射腔的主要作用是濾除激勵過程中產生的高階模式，從而進一步拓展帶寬。

1.3 饋電結構設計

在雙極化喇叭天線的設計中，要求天線的兩個探頭正交，一個用于垂直極化，另一個用于水平極化。天線的饋電裝置位于波導中脊的起點附近，即其探頭應在距脊底部一定距離內，以獲得足夠的阻抗匹配。當天線最大工作頻率上升到18 GHz 時，距離范圍變得太小，無法放下兩個探頭，為了解決這個問題，可將兩個脊末端切削一部分，減少探針與脊末端的距離，從而達到優化駐波比的效果。

2 仿真及結果分析

根據上述理論指導在三維全波仿真軟件HFSS 中設計了一款工作頻率為1～18 GHz 的超寬帶雙極化四脊喇叭天線，天線口徑為220 mm，長度為285 mm（其中喇叭段長度為242 mm），波導段口徑為82 mm，天線的脊寬為4 mm，脊間距為0.8 mm，喇叭段長度為242 mm，脊波導段長度為43 mm，反射腔長度為7.2 mm。其具體模型如圖4所示。

圖4 天線仿真模型

在HFSS 中進行仿真，仿真結果如下所示。所設計的雙極化天線駐波比及隔離度結果如圖5所示，在整個工作頻段內，端口1 和端口2 的駐波比一致性較好，都小于2。兩端口隔離度大于30 dB。

圖5 天線駐波比與隔離度

從圖6 和圖7 可知，天線的增益變化范圍在6～23 dBi。天線的方向圖良好， 選取的1、6、10、14、16、18 GHz 的方向圖如上圖所示，天線方向圖E 面及H 面的主瓣均未出現裂瓣現象，可看出該天線具有良好的單向輻射模式。

圖6 喇叭天線方向圖結果

圖7 天線增益

3 結語

設計了一種用于寬帶設計的帶有改進脊的雙極化四脊喇叭天線，優化后的脊使用三階貝塞爾曲線作為新的脊曲線。通過使用新的脊曲線，在1～18 GHz 頻率范圍內實現了VSWR＜2的寬帶阻抗帶寬，隔離度大于30 dB，增益最高可達到23 dBi。天線的方向圖具有良好的對稱性，在整個工作頻段內未裂瓣，具有良好的輻射性能。