喇叭天线范文

喇叭天线范文（精选4篇）

喇叭天线 第1篇

设计的H面喇叭天线, 是一种电场辐射呈现喇叭天线辐射特性的孔径天线。这使得该天线具有较高方向系数。众所周知, 波导结构在毫米波通信领域有着广泛的应用, 它拥有诸多优点, 但其缺点也非常明显, 那就是尺寸结构太大、剖面太高, 限制了这种天线在高性能卫星通讯系统和雷达系统中的应用。而随着基片集成波导 (SIW) 技术的提出[1], 使这个问题找到了解决的途径, 即研究以基片集成波导为平台的天线。基片集成波导技术就是在普通微带印制板上沿边缘开规则的金属过孔, 以此来模拟波导的磁壁。应用这种技术制成的基片集成波导保留了大部分的传统波导的传输性质, 同时也比传统波导尺寸更小、剖面更低和更易于平板电路的集成。关于用基片集成波导模拟矩形波导的理论和实践已在文献[2,3]中做了分析, 包括等效宽度、等效长度和等效高度的精细分析。在基片集成波导及其等效的矩形波导结构中传播的场的模式都是TM10模式, 并且这两者的传播常数也相同。

有学者用矩形波导喇叭的原理分析过这种基片集成波导H面喇叭天线, 并设计了28 GHz的PC板天线[4]。在原文献中作者应用GaAs基板的电学特性, 在天线的前端加接了一段介质圆弧段以增强方向性。而文中将采用类似的基片集成波导喇叭天线模型进行仿真, 但在喇叭口处去掉圆弧段, 改为阶梯变换以增强方向性。

1 设计原理

天线总体分为3部分, 在前端是由金属过孔和贴片上下金属表面共同围成的喇叭结构, 与喇叭结构相连的是基片集成波导 (SIW) 构成的波导结构, 最后用微带波导转换器进行馈电。显然, 这种天线是一种微带印制板天线, 所以天线尺寸会缩小ε${}_r^{-1/2}$。天线基板选用εr=10.2的GaAs板材, 中心频率为26 GHz。根据文献[2,3]中有关SIW的设计参数, 选取w=5.5 mm, w1=0.5 mm, w2=1.0 mm, L1=1.6 mm, L2=1.1 mm, h=0.5 mm, rr=0.3 mm, d=0.25 mm, β=12.8°。

天线的馈电部分采用微带线——波导转换结构, 这种结构的前端是常规的50 Ω微带线, 50 Ω微带线之后是一段呈锥型的过渡段, 其作用是将微带线结构中传输的准TEM波转化为能在波导结构中传输的TM10波。微带馈线长度一般选取λg/4, 馈线末端的宽度约为起始端的两倍。经过优化计算得到50 Ω微带馈线的尺寸如图1所示, W1=0.5 mm, W2=1.0 mm, L1=1.6 mm, L2=1.1 mm, 优化后能保证SIW中场的回波损耗最低。天线喇叭口处取张角β=12.8°, 天线的总体尺寸为10.7 mm×5.5 mm×0.5 mm。

2 仿真与实测结果

SIW结构的电性能主要受基板厚度影响, 这里选取H=0.5 mm的GaAs基板进行仿真。GaAs是工程上常用的板材, 性能很稳定。本文应用HFSS 13.0进行仿真计算。实物如图2所示, 天线中金属过孔全部采用矩形孔, 因为应用圆形过孔的设计模型计算更耗资源, 而应用矩形过孔在性能上差异甚微, 所以选取更易实现的矩形孔, 过孔尺寸为0.3mm×0.3 mm。

图3 (a) 所示为天线回波损耗参数的仿真值和实测值。中心频率为25 GHz, 频带范围24～26.4 GHz, 频带利用率9.6%。图3 (b) 所示为该频率下SIW及喇叭内电场的分布, 能够分辨出传输模式为TM10模。

图4 (a) 所示为仿真计算的天线H面辐射方向图, 半功率波束宽度为HPBW=70°, 前后比为8.2 dB。图4 (b) 所示为实际测得的天线H面辐射方向图, 半功率波束宽度HPBW=61°。方向图旁瓣较大, 可能是由馈线和波导腔体的侧向辐射造成。与文献[4]比较, 可以看出, 加载阶梯变换段增强了天线的方向性。由于无微波暗室资源, 因此本文只提供矢量网络分析仪测得的S11参数曲线实际结果。

3 结束语

本文提出一种基于SIW技术的H面喇叭天线。利用微带过渡段和SIW等效的波导结构将微带天线中的准TEM波转成可以为喇叭馈电的TM10波, 并在天线辐射端加载阶梯变换段增强了天线的方向性。同时利用微带天线的性质明显缩小了天线的尺寸和剖面, 通过计算结果可以看出, 该天线实现了波导喇叭天线的功能, 性能良好。

摘要：设计了一种新型微带天线。天线印制板为基片集成波导结构, 天线前端用金属过孔形成喇叭状, 从而构成一种微带H面波导喇叭, 通过微带线——波导转换结构进行馈电, 在辐射主方向具有较高的增益。该天线集合了传统微带天线低剖面以及H面波导喇叭的集束、高增益的特性, 最后应用Ansoft HFSS进行了设计和仿真, 验证了设计的正确性。

关键词：喇叭天线,基片集成波导,微带—波导

参考文献

[1]HIROKAWA J, ANDO M.Single-layer feed waveguide con-sisting of postsfor plane TEM wave excitation in parallelplates[J].IEEE Transactions on Antennas, Propag, 1998, 46 (3) :625-630.

[2]DESLANDES D, WU K.Ntegrated microstrip and rectangu-larwaveguide in planar form[J].IEEE Microwave WirelessCompon Letter, 2001 (11) :68-70.

[3] CHE W, DENG K, CHOW Y L.Equivalence between waveguideswith side walls of cylinders SIRW and of regular solid sheets[C].China:APMC2005 Proceedings, 2005 (2) :768-770.

一种新型介质加载的矩形喇叭天线 第2篇

关键词：喇叭天线,介质加载,卫星通信

传统的卫星地面通信系统天线多采用抛物面天线, 其多采用刚性板块构成, 因而存在重量大、成本高、架设难度大、机动灵活性差的缺点。

而喇叭天线具有多种优势, 较高的增益、较低的驻波比, 且可在很宽的频带内实现较好的性能。并且喇叭天线的理论分析更容易贴合理论预测的结果, 但增益和体积之间的取舍问题一直是遏制喇叭天线发展的瓶颈。

本文提出一种新型的介质加载的矩形喇叭天线, 该矩形喇叭天线有两层结构, 上层为辐射结构, 下层为微带-槽耦合馈电结构。辐射结构为中心是矩形喇叭孔的长方体铜板。在矩形喇叭孔的中心有介质谐振器, 不仅大幅地降低了天线的抛物面和体积, 同时还使天线增益有了明显改善。

1 介质加载的基本理论

介质谐振器的工作原理为:一般在外界的激励下, 凡能够限定电磁能量在由任意形状的电壁或磁壁所限定的结构内产生微波电磁振荡的结构均可称为电磁谐振器。介质谐振器是一种具有存储能量和选频特性的微波谐振元件, 其工作原理是将高频电磁波引入电介质中, 借助于电磁波在电介质与自由空间的界面不断反射, 形成驻波而产生振荡, 与金属空腔谐振器相比, 具有体积小、质量轻、价格便宜、温度稳定性好等优点。目前制作介质谐振器的主要材料是微波介质陶瓷, 在现代通信工具的小型化、集成化过程中正发挥着越来越大的作用。

理想状态下, 谐振器可以将能量束缚在一定的区域, 在没有能量注入的情况下也可以“永远”振荡下去。但实际上显然没有εr→∞的介质, 由于存在损耗, 介质在振荡的同时总会有或多或少的能量辐射, 而辐射能量的多少主要取决于谐振器本身的参数[1,2,3]。

衡量介质谐振器的参数[4]主要有3个:介电常数、品质因数Q、谐振波长λ0。

2 馈电形式

介质谐振器的主要馈电形式包括微带-槽耦合馈电、微带线直接馈电、同轴探针馈电和共面波导馈电等常见形式, 由于设计的天线采用微带-槽耦合馈电, 因此重点对此进行介绍。

微带-槽耦合馈电结构如图1所示, 基板一面作为地, 上面刻出长为L, 宽度为W的缝隙, 介质谐振器垂直放在缝隙上面。接地板和馈电线路分别位于介质板的上部和下部。在接地板上开矩形耦合槽, 且开槽中心与辐射单元的中心重合。馈电线的终端是开路微带线, 通过调节矩形形状的尺寸和终端微带线的长度可以改善天线的阻抗匹配特性。文献介绍, 在设计中, 微带线一般垂直于槽并通过槽的中心位置, 因为这样槽的辐射阻抗最大, 会使更多能量馈入介质谐振器中[5]。

3 介质加载矩形喇叭天线设计与仿真

3.1 介质加载的矩形喇叭天线的结构

该矩形喇叭天线有两层结构, 上层为辐射结构, 下层为微带-槽耦合馈电结构。辐射结构是中心为矩形喇叭孔的长方体铜板。在矩形喇叭孔的中心有介质谐振器, 用来提高喇叭天线的增益。长方体铜板的尺寸为21 mm×21 mm×3.9 mm。矩形喇叭的上底面口径为15.4 mm×13 mm, 其上底面的口径面积与前面两种天线的口径面积相同, 下底面的口径为10.4 mm×8 mm, 高为3.9 mm。其中心的介质谐振器的介电常数为r为9.8, 长为6.4 mm, 宽为3.5 mm, 高为3 mm。下层为微带-槽耦合馈电结构, 由金属接地板, 介质基板和微带馈线组成, 介质基板介电常数εr为3.38, 损耗角的正切值为0.002 2, 介质基板尺寸为21 mm×21 mm×0.508 mm, 介质基板上方为金属接地板, 尺寸为21 mm×21 mm, 其中心有长为3 mm, 宽为0.6 mm的矩形槽, 介质基板下层为微带馈线, 馈电线的输入阻抗为50Ω, 馈电线长度为11.6 mm, 宽度为1.16 mm。天线结构如图2所示。

3.2 介质加载的矩形喇叭天线的仿真

利用HFSS软件对该介质加载的矩形喇叭天线进行了仿真, 得到了该天线的反射系数曲线如图3所示。由图3可知, 该天线的阻抗带宽为12~13 GHz在Ku波段下行频段 (12.25~12.75 GHz) 内, 天线的反射系数VSWR<2, 。天线在12.5 GHz的反射系数1.4。在Ku波段上行频段 (14~14.5 GHz) 天线的反射系数VSWR>2。因此, 该矩形波导喇叭不能覆盖整个Ku波段卫星通信频段。但由于其在Ku波段下行频段反射系数<2, 因此可以作为卫星接收天线使用。

图4和图5分别为天线在频率为12.5GHz和14.25 GHz频率下的增益曲线图和三维辐射方向图。当频率为12.5 GHz时, 天线在主辐射方向的增益为7.5 d B, 半功率波瓣宽度为40°×43°;当频率为14.25 GHz时, 天线在主辐射方向的增益为6.9 d B, 半功率波瓣宽度为40°×44°。

4结束语

本文提出了一种用于卫星自适应天线系统的天线, 上层为辐射结构, 下层为微带-槽耦合馈电结构。在矩形喇叭孔的中心有介质谐振器, 用来提高喇叭天线的增益。长方体铜板的尺寸为21 mm×21 mm×3.9 mm。该天线设计对提高增益具有明显的效果, 同时还具有体积小、质量轻、价格便宜、温度稳定性好等优点, 可以考虑进一步设计加工后作为卫星地面通信系统的接收天线。

参考文献

[1]顾其诤.介质谐振器微波电路[M].北京:人民邮电出版社, 1986.

[2]张磊.应用于WLAN的宽带介质谐振天线和双频微带天线的设计[D].大连:大连海事大学, 2008.

[3]PETOSA A, ITTIPIBOON A, ANTAR Y M M, et al.Recentadvances in dielectric-resonator antenna technology[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine, 1998, 40 (3) :35-48.

[4]汪晖.介质谐振器天线及其阵列研究[D].南京:南京理工大学, 2008.

喇叭天线 第3篇

喇叭天线由于具有较大的增益和良好的方向性而得到了广泛的应用。然而,传统的喇叭天线体积庞大,结构复杂,而且采用波导馈电的形式,使得传统的喇叭天线难以组阵。近年来,一些喇叭天线采用微带馈电的方式[2,3,4],使得喇叭天线便于组阵。文中提出了一种新型微带馈电喇叭天线,以辐射层为中心的波导喇叭孔的金属波导,通过双层正交微带馈电实现双极化,最下层为金属反射腔,用来提高喇叭天线的增益。利用HFSS软件仿真得到该双极化喇叭天线两个端口的天线增益>8 dB,在Ku波段上行(14.0～14.5 GHz)和下行(12.25～12.75 GHz)的反射系数VSWR均<2,因此相对于传统的微带天线,更适合作为卫星地面通信系统的天线单元。

1 微带馈电的双极化喇叭天线的结构

该卫星通信波导喇叭天线单元为3层结构,如图1所示。最上层为辐射层,中间层为馈电层,下层为反射腔。辐射层为长方体的理想波导金属材料,长和宽均为21 mm,高为hh,其中心开一圆锥喇叭形状的口径孔,该圆锥喇叭底面直径为Dc,顶面直径为Dh,高为hh[5]。馈电层改变传统喇叭天线的波导馈电形式,而采用带状线馈电的形式,即通过介质基板中的三角形带状线进行馈电,如图2所示。介质基板是Rogers RT/duriod5880,介电常数εr为2.22,损耗角正切值为0.000 9,介质基板的厚度h1为0.508 mm;三角形带状线的长度为L1,宽度为W1,输入阻抗为100 Ω。馈电层为上下两层,每层的厚度均为h1,通过两个正交的带状线馈电来实现双极化的功能。为提高该波导喇叭天线的增益和辐射性能,最下层为一反射腔,其结构也是长方体的理想波导金属材料,长和宽均为Dh,高为H,在其中心开一圆柱形孔,直径与圆锥喇叭的底面直径均为Dc,孔深为hc。天线结构的初始参数:Dc=14.2 mm,Dh=16 mm,hh=11 mm,hc=6.8 mm,L1=4.6 mm,W1=0.25 mm,h1=0.508 mm,H=8.2 mm。

2 微带馈电的喇叭天线的参数优化

采用Ansoft HFSS 12软件对该喇叭天线进行建模仿真,在仿真过程,利用HFSS提供的优化计算功能,依次对该喇叭天线的反射腔深度hc,喇叭高度hh和喇叭天线的底面直径Dc进行优化仿真,以得到天线最佳辐射性能。由于该喇叭天线是双极化天线,有两个馈电端口,为分析方便,在对该喇叭结构参数优化时,只仿真了一个馈电端口的模型。同时,考察某参数变化对天线性能的影响时,保持天线其他参数不变。

(1)反射腔对该喇叭天线增益和反射系数的影响。

为研究反射腔对该喇叭天线增益和反射系数的影响,利用HFSS进行对比仿真试验。首先对设计的加反射腔的喇叭天线进行仿真,其次对不加反射腔的喇叭天线进行仿真。仿真得到的天线增益对比曲线如图3所示,当不加反射腔时,天线的后向波束较大,造成了天线在主辐射方向增益较小,只有1.8 dB,而后向波束增益却达到了6.1 dB;而加反射腔之后,天线的后向辐射得到了较大的抑制,后向波束的增益为-5.8 dB,天线在主辐射方向上的增益为8.4 dB,说明加入反射腔之后能将背向辐射的电磁波反射,从而有效地抑制背向辐射,提高天线的主辐射方向的增益;同时得到天线反射系数的对比曲线,如图4所示,当加入反射腔之后,该喇叭天线的反射系数显著降低,同时说明加入反射腔之后对该喇叭天线的反射系数也有较好的作用。

(2)反射腔中圆柱孔的深度hc对天线反射系数的影响。

取反射腔的深度hc分别为4.8 mm,5.8 mm,6.8 mm,7.8 mm,其他参数保持不变。得到了天线的反射系数随圆柱孔深度hc的增益变化曲线如图5所示。当反射腔圆柱孔的深度hc逐渐增大时,该喇叭天线在VSWR<2的带宽逐渐增大,当hc为4.8 mm时,天线在VSWR<2的带宽只有13～14.4 GHz,当hc为7.8 mm时,天线在VSWR<2的带宽逐渐增大到12.25～15GHz,覆盖了Ku波段卫星通信的上行和下行频段,说明反射腔深度对天线的反射系数有较大的影响,当反射腔深度hc为7.8 mm时,天线的反射性能达到最好。

(3)圆锥喇叭的高度hh对天线增益和反射系数的影响。

取反射腔的深度hc为7.8 mm,其他参数保持不变,取圆锥喇叭的高度hh分别为11 mm,13 mm,15 mm,利用HFSS软件仿真得到天线的反射系数随着喇叭口高度hh的变化曲线,如图6所示。当喇叭口的高度逐渐增大时,仿真得到的天线的反射系数曲线逐渐向左移动。当hh=11 mm时,该喇叭天线在VSWR<2的带宽为12.8～15 GHz,当hh=15 mm时,该喇叭天线在VSWR<2的带宽为12.2～15 GHz,说明圆锥喇叭的高度对天线的反射系数有一定的影响,当hh=15 mm时,天线的反射系数达到最优。

(4)圆锥喇叭底面直径Dc对天线反射系数的影响。

取反射腔的深度hc为7.8 mm,圆锥喇叭的高度hh为15 mm,其他参数保持不变,取圆锥喇叭的底面直径Dc分别为13.8 mm,14.2 mm,14.6 mm,15 mm,利用HFSS仿真软件得到该喇叭天线的反射系数随着喇叭底面直径Dc的变化曲线,如图7所示。当喇叭天线的底面直径逐渐增大时,反射系数在Ku波段上行频段处(14.0～14.5 GHz)几乎不变,但在Ku波段下行频段处(12.25～12.75 GHz)反射系数曲线逐渐向左移动,当Dc=13.8 mm时,天线在VSWR<2的带宽为13～14.7 GHz,当Dc=15 mm时,天线VSWR<2的带宽为12.15～15 GHz。说明圆锥喇叭底面直径Dc对天线反射系数有较大的影响,当Dc为15 mm时,天线的反射性能达到最好。

3 双极化喇叭天线的仿真结果

利用HFSS进行优化之后,天线的结构参数分别为:圆锥喇叭的底面直径Dc=15 mm;圆锥喇叭的高度hh=15 mm;反射腔的深度hc=7.8 mm,其他参数保持不变。利用优化后的参数对该双极化喇叭天线重新进行仿真,得到双极化喇叭天线两个端口的反射系数曲线,如图8所示。两个端口在Ku波段上行(14.0～14.5 GHz)和下行(12.25～12.75 GHz)的反射系数VSWR均<2,说明该双极化喇叭天线具有良好的反射性能,可以作为卫星通信自适应天线单元。

分别取Ku波段下行频段(12.25～12.75 GHz)和上行频段(14.0～14.5 GHz)的中心频率f1(12.5 GHz)和f2(14.25 GHz),利用HFSS软件进行仿真得到双极化的两个端口在频率为f1和f2时在XOZ面和YOZ面的辐射方向图,如图9和图10所示。当频率为f1时,端口1在主辐射方向的增益为8.35 dB,端口2在主辐射方向的增益为8 dB;当频率为f2时,端口1在主辐射方向的增益为8.9 dB,端口2在主辐射方向的增益为8.37 dB;由于两个端口的相互影响,在同一频率下端口2的增益比端口1的增益低0.5 dB。当频率为f1时,端口1的半功率波瓣宽度为34°×36°,端口2的半功率波瓣宽度为44°×34°;当频率为f2时,端口1的半功率波瓣宽度为28°×36°,端口2的半功率波瓣宽度为40°×35°。

4 结束语

提出了一种微带馈电的双极化喇叭天线。该喇叭天线的辐射层为金属波导材料,中心为一圆锥喇叭孔;馈电层为双层正交的三角形带状线馈电结构,用于实现双极化,最下层为金属反射腔用于抑制背向辐射,提高天线增益。HFSS仿真结果表明,该喇叭天线在12～15 GHz的频率范围内,反射系数VSWR均<2,两个端口的增益均>8 dB。该喇叭天线体积小,结构简单,增益高,采用微带馈电的形式,相对于传统的微带天线,更适合作为Ku波段卫星地面通信系统的天线单元。

摘要：设计了一种微带馈电双极化喇叭天线。该喇叭天线的辐射层中心为一圆锥喇叭孔的金属波导材料,通过双层正交的三角形带状线馈电结构来实现双极化,最下层加入金属反射腔来抑制背向辐射,提高天线增益。利用HFSS电磁仿真软件对天线进行优化仿真,仿真结果表明,该喇叭天线在Ku波段上行(14.0～14.5 GHz)和下行(12.25～12.75 GHz)的反射系数VSWR均<2,两个端口的增益均>8 dB。该喇叭天线体积小,增益高,采用微带馈电的形式,适合作为Ku波段卫星地面通信系统的天线单元。

关键词：喇叭天线,微带馈电,双极化

参考文献

[1]OUYANG JUN.A circularly polarized switched-beam an-tenna array[J].IEEE Transactions on Antennas and Propa-gation,2011,10(3):1325-1328.

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[3]ONONCHIMEG S,OTGONBAATAR G.A new dual-polar-ized horn antenna excited by a gap-fed square patch[J].Electromagnetic Research Letters,2011,21(4):129-137.

[4]LIN S,ZHANG X Q.Printed tem horn antenna fed by bal-anced microstrip line[J].Electromagnetic Research,2011,34(4):247-262.

喇叭天线 第4篇

喇叭天线由于其多功能性、简单性和好的辐射性能,在微波测量、雷达和探测系统中有广泛的应用[1]。展宽喇叭天线工作频带,最直接的方法就是在喇叭的波导和喇叭张开部分加入脊结构[2,3,4]。脊喇叭天线增益高,阻抗低,体积小,易于和传输线连接,适合用在雷达、电子对抗设备以及微波电子器件中[5]。喇叭天线作为馈源组阵时,圆锥喇叭可以节省空间,便于控制阵元间距而抑制栅瓣。近来对加脊喇叭天线分析的文章很多,但是在具体的设计方面分析的很少。本文对设计四脊圆锥喇叭天线的关键参数进行了分析以及仿真优化。加脊的喇叭天线极大地满足了在宽频带天线领域的应用。

1 天线设计及优化

1.1 天线的设计

脊喇叭天线是在喇叭天线的基础上,通过改变天线的结构来提升辐射性能。该喇叭天线作为馈源组阵,所以在天线设计过程中应综合考虑喇叭的口径与阵元间距的关系,既要避免溢出损耗,又要保证单元尺寸不要超过最大阵元间距而无法排布。

四脊喇叭可以看成两个对称的双脊喇叭,通过对脊波导理论的分析,根据设计参数指标的要求,设计出满足要求的四脊波导的结构和喇叭内脊曲线的形式,最终完成天线结构的设计。

脊喇叭结构如图1所示。喇叭馈电采用同轴线馈电,同轴线的内外径设计保证和50Ω匹配。根据同轴线特性阻抗公式[2]:

式中:a为同轴线内导体的直径;b为外导体的直径;εr为导体间填充介质的相对介电常数;Z0为50Ω的匹配阻抗。

波导段分为脊波导段和脊波导后面的直波导段,脊波导参数初值采用文献[9]的方法确定。直波导滤除脊波导激起的高次模,起着展宽喇叭工作带宽的作用[6]。直波导段后面是匹配块,根据一般的设计经验,探针距匹配块距离小于二分之一的最小波长。

最后是喇叭部分和喇叭内脊形状的设计,为了使在阻抗转换过程中不激起高次模,喇叭的长度应大于二分之一的最大波长,喇叭口径的大小由天线增益和口径面相位差确定[7]。脊喇叭天线的脊指数曲线表达设为:

式中:A的值为1/2脊间距;k的值根据喇叭内脊曲线的终点坐标值来确定。

喇叭口径的理论值约为0.7倍的最大波长,即262 mm,考虑到喇叭作为相控阵馈源,口径不能设计的太大,中和增益和口径的关系,脊曲线在口面处截断。

1.2 天线的优化

设计出喇叭的初步尺寸,再利用HFSS软件进行仿真优化,在优化过程中不断调整喇叭的尺寸直到达到预期设计目标。由于喇叭的结构较复杂,需要优化的参数比较多,可以固定几个参数,缩小优化范围。主要从以下几个方面进行优化。

1.2.1 匹配块及波导结构的优化

喇叭天线的馈电部分是内径相等的波导,由于脊波导与匹配块连接部分需要有空隙,采用在匹配块上开半球形槽的办法来满足。同时在脊波导段上有台阶设计[1],仿真发现,有台阶的脊波导对天线驻波比有很好的影响,通过调节台阶的厚度,达到优化的驻波比。结构如图2所示。

1.2.2 脊波导内脊宽度和脊间距的优化

脊的宽度和脊间距对喇叭天线的工作带宽有关键作用,设计宽频带喇叭天线首先要保证馈电波导在整个频带范围内有好的电特性。脊的终端由尖顶削成平顶,如图3所示,这样设计是为了减小四个脊终端之间的相互影响,同时减小了脊间距,以及使加工方便。

1.2.3 喇叭内脊曲线形状的优化

最后将对脊体的形状进行优化,给指数函数再加上一个一次项,可以起到扩展频带的作用[5],修正后的脊曲线方程为:

脊曲线示意图如图4所示。图中Dy为喇叭口面的口径宽度;b为脊间距;L为喇叭的长度;C取经验值[8]0.02。

2 仿真结果

根据上述设计优化步骤,设计了一个在0.8~2.5 GHz频带内工作,口径为240 mm,长度为320 mm,其中喇叭段长度为260 mm,波导段口径为35 mm的宽频带双极化四脊喇叭,喇叭天线模型如图5所示。

利用高频电磁仿真软件HFSS对模型进行仿真,仿真结果如图6~图11所示。

图6是双端口天线在0.8~2.5 GHz频段上驻波比的变化曲线,其中虚线和实线分别表示前面(离匹配块近)和后面(离匹配块远)馈电端口的驻波比,由于两个馈电位置离匹配块的距离不一致,引起两个馈电端口的驻波比不能保持完全一致。从仿真结果看两个端口的驻波比都达到小于2的参数指标要求。端口之间的隔离度随频率变化的曲线如图7所示,两个端口的隔离度大于40 dB。

从图8~图10是几个典型频率点(0.8 GHz,1.5 GHz,2.5 GHz)的二维增益方向图,实线和虚线分别表示的是E面和H面方向图,方向图的主瓣较宽,没有出现栅瓣,整个频段内方向图保持很好的方向性,天线能量集中。

天线增益随着频率变化的曲线如图11所示,在0.8~2.5 GHz整个频段内天线增益大于6 d B,并且随着频率的升高而升高,满足参数要求,并且曲线图符合最优喇叭天线结构与增益的理论关系。设计的天线具有良好的辐射性能,高频段天线没有发生定向性偏离和增益下降的现象。

从优化仿真的结果可以看出,四脊喇叭天线在0.8~2.5 GHz整个频段内驻波比VSWR<2,双极化端口的隔离度dB(S(2,1))<-40 d B,满足设计指标要求,整个频段方向图保持很好的定向性。

3 结语

本文给出了一个宽带四脊圆锥喇叭天线的设计方法,采用化四脊圆锥喇叭为双脊喇叭的方法设计了初步模型和参数初值,仿真总结了四脊圆锥喇叭天线的主要参数变化对驻波比的影响,结构优化包括:波导段的台阶结构,脊终端的平顶结构,脊曲线的渐变结构等。优化后的结构很好的降低了天线的驻波比,提高了两个端口的一致性。利用电磁仿真软件HFSS对参数及结构进行仿真,仿真结果表明,本文设计的0.8~2.5 GHz四脊圆锥喇叭天线驻波比低、隔离度好、方向图好,可满足实际要求,对工程上设计此类天线具有一定的参考价值。

摘要：设计了一种0.82.5 GHz双极化四脊圆锥喇叭天线。四脊喇叭天线的设计可以看成对称的两个双脊喇叭天线,利用HFSS电磁仿真软件对天线的参数及结构进行优化,计算了天线的驻波比、隔离度、增益和方向图等参数。结果表明,优化后的天线满足低驻波比,高隔离度,好方向图等特点,对工程设计具有一定的参考价值。

关键词：脊喇叭天线,双极化天线,宽频带天线,驻波比

参考文献

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