超宽带双极化喇叭天线仿真设计

胡林仁，段东洋，郭庆功

（四川大学电子信息学院，成都 610065）

0 引言

喇叭天线具有结构简单、功率容量大、频带宽、方向图易于控制等特点，被广泛应用于电磁兼容测试、雷达和通信系统。但传统喇叭的最大工作带宽约为2∶1。通常，在高阶模式出现之前，一般是在喇叭内部加入脊结构来拓展带宽。当一对脊加载在波导的宽壁上，被称为双脊喇叭天线。其中，文献［6］设计了一款工作在1～18 GHz 的超宽带双脊喇叭天线，对喇叭段喇叭部分的曲线增加了线性部分，驻波比在全频段小于2.4，但其方向图在12 GHz时出现严重的裂瓣现象。近年来，喇叭天线已推广应用于测量消声室中的三维图案、医学检测、微波成像等领域，受单极化喇叭天线制约，常需采用双极化四脊喇叭天线来满足工程需求。其中，文献［8］中提出了一种工作在8～18 GHz的宽带双极化喇叭天线，其驻波比小于2.6，隔离度大于20 dB，在18 GHz 时天线E面的主瓣会偏移15°左右。文献［10］设计了一款工作频段为3.63～10.74GHz 的双极化四脊喇叭天线，该天线两端口驻波比在工作频段内小于2，隔离度大于39 dB。文献［12］研究了一款在4～13.6 GHz 频段内的双极化宽带喇叭天线，驻波比小于2，通过加入介质材料阻抗带宽可拓展到2.5～14 GHz。

目前四脊喇叭天线的研究中仍存在：在实现双极化的同时牺牲了带宽、阻抗带宽与方向图带宽或稳定的单向辐射模式不能兼顾等缺点。文献［12］研究了一款工作频率为1.95～20 GHz的双极化四脊喇叭天线，其倍频程达到了10.25∶1，在脊的设计中引入了由指数和椭圆部分组成的新锥形线，天线的阻抗带宽为VSWR＜2.5，隔离度大于41 dB，天线的方向图良好。文献［13］设计了一款工作频段为0.6～9.4 GHz四脊双极化喇叭天线，其工作带宽拓展到了15.7∶1，驻波比在全频段内小于2，两端口隔离度大于30 dB。

本文设计了一款工作在1～18 GHz频段内的宽带四脊喇叭天线，采用三阶贝塞尔曲线作为脊曲线，同时对脊结构进行优化，仿真结果表明天线具有良好的驻波、增益及辐射特性。

1 天线结构设计

在四脊喇叭天线中，沿波导的宽壁和喇叭的喇叭形部分都引入了脊。大多数电场被限制在四个脊之间，这增加了脊之间的有效电容，同时降低了主模的截止频率。天线的特征阻抗也随着两对脊之间的间隙减小而减小。脊还略微提高了高次模的截止频率。这些因素都使天线的工作带宽得到了极大的提高。

四脊喇叭天线剖面图如图1 所示。它主要是由喇叭部分、 波导段及馈电激励结构三部分构成。

图1 天线结构示意图

1.1 喇叭部分设计

在喇叭部分中，脊曲线的形式至关重要，主要起阻抗渐变的作用，使喇叭天线从四脊波导过渡到自由空间的波阻抗377 Ω，其长度也应大于最大工作波长的一半，以确保不激励出高阶模式。因此，在设计脊曲线时，应恰当选择脊的轮廓，以实现良好的传输与辐射特性。目前，常用的脊曲线形式有许多，如线性、二次型、指数型和高斯型，不同类型的脊对天线性能的影响较大。研究发现，将喇叭口径处的脊曲线形式修改成圆弧状时，可实现更好的阻抗匹配，同时可有效减小喇叭口面上的反射。传统的脊曲线一般是在选定的脊曲线形式后添加一圆弧项来实现上述性能，在设计时难以控制变量进行优化设计，本文采用三阶贝塞尔曲线形式的脊曲线，弥补了传统脊曲线的不足，同时可较好地满足喇叭的设计需求，其数学表达式为：

如图2 所示，表示三阶贝塞尔曲线沿喇叭轴向的长度，表示相对的脊之间距离的一半。实现三阶贝塞尔曲线须有四个点的点坐标，其中，为起点，是终点，、分别是起始点和终止点的控制点，其具体坐标值如表1所示。

图2 脊结构示意图

表1 贝塞尔曲线点描述

1.2 波导段设计

波导段可分为脊波导段和反射腔两部分。在脊波导段，其横截面结构如图3（a）所示，由于相对的脊之间的距离对天线性能影响很大，而脊之间的距离与脊波导主模的截止频率成正比，脊间距越小，主模截止频率越低。在圆形波导正中，当直接采用方形结构保持较小的脊间距时会导致各个脊相互交叉。为解决此问题，将脊波导的末端进行倒角处理，可有效缩短脊与脊之间的间距。如图3（b）中的结构所示，将脊的末端削成锲形结构，避免了各个脊相互交叉，减小了脊间距，使得天线的工作频率向低频扩展的更多。

图3 四脊波导结构示意图

天线的反射腔是短路板到馈电同轴线之间的部分，其长度一般为最小工作波长的一半左右。反射腔末端的短路片可以有效提高背向辐射对天线性能的影响。反射腔的主要作用是滤除激励过程中产生的高阶模式，从而进一步拓展带宽。

1.3 馈电结构设计

在双极化喇叭天线的设计中，要求天线的两个探头正交，一个用于垂直极化，另一个用于水平极化。天线的馈电装置位于波导中脊的起点附近，即其探头应在距脊底部一定距离内，以获得足够的阻抗匹配。当天线最大工作频率上升到18 GHz 时，距离范围变得太小，无法放下两个探头，为了解决这个问题，可将两个脊末端切削一部分，减少探针与脊末端的距离，从而达到优化驻波比的效果。

2 仿真及结果分析

根据上述理论指导在三维全波仿真软件HFSS 中设计了一款工作频率为1～18 GHz 的超宽带双极化四脊喇叭天线，天线口径为220 mm，长度为285 mm（其中喇叭段长度为242 mm），波导段口径为82 mm，天线的脊宽为4 mm，脊间距为0.8 mm，喇叭段长度为242 mm，脊波导段长度为43 mm，反射腔长度为7.2 mm。其具体模型如图4所示。

图4 天线仿真模型

在HFSS 中进行仿真，仿真结果如下所示。所设计的双极化天线驻波比及隔离度结果如图5所示，在整个工作频段内，端口1 和端口2 的驻波比一致性较好，都小于2。两端口隔离度大于30 dB。

图5 天线驻波比与隔离度

从图6 和图7 可知，天线的增益变化范围在6～23 dBi。天线的方向图良好， 选取的1、6、10、14、16、18 GHz 的方向图如上图所示，天线方向图E 面及H 面的主瓣均未出现裂瓣现象，可看出该天线具有良好的单向辐射模式。

图6 喇叭天线方向图结果

图7 天线增益

3 结语

设计了一种用于宽带设计的带有改进脊的双极化四脊喇叭天线，优化后的脊使用三阶贝塞尔曲线作为新的脊曲线。通过使用新的脊曲线，在1～18 GHz 频率范围内实现了VSWR＜2的宽带阻抗带宽，隔离度大于30 dB，增益最高可达到23 dBi。天线的方向图具有良好的对称性，在整个工作频段内未裂瓣，具有良好的辐射性能。