介質透鏡加載的高增益超寬帶TEM喇叭天線設計

王欽玉，章社東，趙燕喃

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇南京，210006）

0 引言

近年來，隨著無線通信技術的發展，超寬帶天線的設計與研究引起了越來越多的研究學者們的關注。在某些工程應用領域，超寬帶天線還要求同時具有高增益以及良好的定向性能。TEM（Transverse Electromagnetic Wave，橫電磁波）喇叭天線由于結構簡單、增益高、定向性好、功率容量大等優點被廣泛應用于高功率脈沖輻射系統、超寬帶無線通訊以及電磁兼容測量等領域。

目前已有大量文獻報道了TEM喇叭的研究工作。文獻[1]中提出了一種超寬帶高增益TEM喇叭天線，其采用橢圓漸變結構實現超寬帶特性，并在天線口徑處加載圓弧結構以調控天線口面場分布，比口徑未處理前提高了1.2dBi,但是這種方式對天線增益的提高是有限的。文獻中，Mustafa Ilarslan等人采用介質填充技術有效地將天線輻射能量束縛在喇叭天線內部，有效地抑制了電磁波的散射以及在喇叭口徑處產生的電磁波繞射，改善了TEM喇叭天線的輻射特性。文獻[3]-[5],天線口徑處加載介質透鏡，介質透鏡使天線口徑處輻射出去的球面波的等相位面經介質透鏡的調控后，減小了口徑處中心場與邊緣場的相位差，改善了TEM喇叭天線高頻輻射時方向圖主瓣分裂的現象，在整個頻段內，天線增益都有所提高。但是當天線輻射時，介質表面會被激勵起表面波，增加了輻射損耗，造成輻射效率大大降低，這種方式是以犧牲天線輻射效率為代價的。文獻[6]-[7],在天線口徑處進行三角弧面延展，并且在天線背部加載反射腔，降低了天線的副瓣電平和后瓣電平，定向性得到一定程度的改善。

本文設計了一種基于組合振子形式的超寬帶高增益TEM喇叭天線。對于指數漸變結構的TEM喇叭天線，將下極板設計為等寬結構，并用作上極板的接地板，改善了低頻時天線阻抗匹配特性；其針對TEM喇叭天線高頻主瓣分裂的問題，通過加載介質透鏡的方法將TEM喇叭天線輻射出去的球面波調控為平面波，從而減小天線口徑中心與邊緣口面場的相位差，改善了天線的高頻輻遠場輻射特性。

1 天線結構設計與仿真

傳統的TEM喇叭天線由兩塊具有一定張角的三角形金屬板構成，其基本原理與平行雙導線大體一致。TEM喇叭天線的特性阻抗是隨著兩導體片之間的距離和寬度的變化而變化的，由50Ω漸變成自由空間阻抗377Ω，從而實現寬帶化設計。為了獲得較為平緩的阻抗變化，本文選取了兩極板之間的距離呈現指數的漸變過程，極板的橫向呈現線性的漸變過程，距離d和寬度W的表達式如下：

天線設計設計結構如圖1所示，為了改善低頻時天線饋電平行板與同軸電纜的阻抗匹配，將下極板設計為等寬的結構，用作上極板的接地板。同時，為了減小天線自身的電抗分量，降低天線品質因數，進一步拓展天線帶寬，在天線的上、下和后側面加載矩形金屬板。這些金屬板與TEM喇叭天線的上下極板構成小電流環，其輻射機理與磁偶極子等效。這些磁偶極子進一步減小了TEM喇叭天線的電抗分量，降低了天線的品質因數，因此實現了較寬的阻抗匹配。為進一步改善天線的匹配特性，在上極板與矩形金屬板之間加載指數漸變的條帶結構，其窄邊與上極板的窄邊重疊，該條帶結構從饋電處以指數形式漸變到上極板。此外，可以通過改變該帶條的位置和形狀對天線的阻抗匹配進行調諧。

圖1 天線結構

對TEM喇叭天線設計的過程中發現，TEM喇叭天線口徑中心和邊緣的口面場由于波程差的緣故出現了相位差。在高頻輻射時，電磁波的波長較短，導致波程差增大，相位差也增大，到一定程度后，會產生口面場相位突變進而在遠場抵消，導致輻射方向圖主瓣的分裂，方向性變差，增益降低。因此，針對TEM喇叭天線高頻主瓣分裂的問題，通過加載介質透鏡的方法將TEM喇叭天線輻射出去的球面波折射成平面波，從而減小天線口徑中心與邊緣電磁波的相位差，改善了天線高頻輻射時的遠場特性。

2 天線加工與實測

對設計的超寬帶TEM喇叭天線按表1參數進行加工，然后進行測試測試，天線加工實物如圖2所示。介質透鏡采用3D打印技術進行加工，打印材料選擇的是相對介電常數為2.7的樹脂材料。

表1 天線結構參數（mm）

圖2 天線加工實物圖

使用矢量網絡分析儀對安裝介質透鏡后的TEM喇叭天線進行VSWR測量，圖3為測試和仿真的VSWR曲線對比圖。從仿真和實測的VSWR曲線可以看出，仿真和實測的VSWR在0.65GHz-20GHz的頻帶內都小于2.5，達到了31:1的倍頻程。實測的VSWR曲線與仿真的VSWR曲線基本吻合，實測的VSWR曲線的波動較大，這是介質透鏡對電磁波的反射造成的。

圖3 仿真與實測VSWR對比

在微波暗室對該天線進行方向圖測量，圖4、圖5和圖6分別為仿真與實測的歸一化E面和H面輻射方向圖。高頻時仿真和實測的結果吻合良好，天線具有良好的定向性。

圖4 1GHz時仿真和實測的歸一化E面（左）和H面輻射方向圖（右）

圖5 10GHz時仿真和實測的歸一化E面（左）和H面輻射方向圖（右）

圖6 20GHz時仿真和實測的歸一化E面（左）和H面輻射方向圖（右）

圖7給出了仿真與實測增益對比，從仿真和實測的增益曲線圖可以看出，仿真與實測吻合良好，天線增益整體呈現一個上升的趨勢。20GHz時，增益達到了最大值，為18.7dBi，并沒有出現未加載介質透鏡的TEM喇叭天線高頻增益下降的現象，由此說明加載介質透鏡可以改善TEM喇叭天線的高頻特性，提高了TEM喇叭天線的定向性以及增益。

圖7 仿真和實測的增益曲線

3 結論

本文將指數漸變TEM喇叭天線的下極板設計為等寬的結構，改善了低頻時天線饋電平行板與同軸電纜的阻抗匹配；其次，采用磁偶極子低頻補償技術，通過在天線上、下和后側面加載矩形金屬板，以及在上極板與矩形金屬板之間加載匹配帶條的方式，設計出一種組合振子形式的超寬帶TEM喇叭天線；針對TEM喇叭天線高頻主瓣分裂的問題，采用介質透鏡的方法改善輻射特性；對上述設計進行仿真優化，并制作了天線實物在微波暗室內進行測試。結果表明，天線在0.65GHz-20GHz的頻帶內駐波比小于2.5，達到了31:1的倍頻程，工作頻帶內方向圖定向特性良好，有效地改善了高頻輻射方向圖主瓣分裂的現象。對于超寬帶高增益TEM喇叭天線的設計具有很好的參考價值。