一種超寬帶雙脊喇叭天線的設計

瞬態電磁的應用帶超寬帶的喇嘛天線具有寬工作帶寬、良好的方向和穩定的相平衡量。它在帶寬通信、擴頻通信、雷達、兼容性等瞬態磁體領域得到了廣泛應用。本文依據超寬帶喇叭天線的設計原理,利用電磁仿真軟件設計和仿真了一副頻率為2~20GHz寬帶的雙脊喇叭天線。1雙脊導電奇模斷線喇叭天線的結構可分為波導段和喇叭段兩部分,如圖1所示。波導段分為直波導段和脊波導段。直波導的作用是濾除波導內被激勵出來的TE20模,其長度應小于最高工作頻率的半個波長;采用脊波導主要考慮加脊以降低主模傳輸的截止頻率。為了改善饋電段到喇叭段之間的匹配,需要把脊波導橫截面積尺寸逐漸加大,到喇叭口處面積最大,因而這部分結構可以近似為加脊喇叭。喇叭段的長度應大于最低工作波長的一半,這樣才能保證阻抗轉換過程中不激起高次模。喇叭口面的大小由天線脊曲線大小來確定。當喇叭阻抗Z為如下形式時,具有較好的效果:脊形狀是根據阻抗漸變表達式進行設計。通過對模型進行多次調試,發現若給指數項再加上一次線性項,可以起到擴展頻帶的作用。即圖2為喇叭脊形狀曲線,其中b1為兩脊之間的間距,L為喇叭的長度。式(2)中,一般情況下A由兩脊之間的間距b1決定,即A=b1/2。系數k和C由兩個點的坐標來確定。這里可以選取曲線的終點和中點坐標。若把喇叭口面的阻抗看作空氣波阻抗,并把它作為喇叭的終端負載,喇叭本身作為饋源與負載之間的阻抗變換器,喇叭中的脊起阻抗匹配作用,所以在喇叭中點的阻抗可近似為雙脊波導截面圖如圖3所示,設雙脊波導的寬和高分別為a,b,脊的寬度以及脊間距分別為a1,b1。雙脊波導截面為z=0處的喇叭天線截面,雙脊波導奇模截止波長諧振方程式如下:插入到脊體腔內的探針直徑選為已經設計的尺寸大小(mm),為了和50Ω的同軸線匹配,脊體內的空氣腔體直徑滿足同軸線特性阻抗Z1公式:式中,m、n為內導體和外導體直徑;εr為內外導體間所填充介質的相對介電常數。由于經過了較長時間發展,喇叭天線有些部件已經形成標準件,圖4所示為一標準同軸接頭(N型頭)。在喇叭天線優化設計時,應以這些標準件的尺寸為基礎進行優化,這樣優化出來的天線以后的加工成本最低。2天線參數的確定基于以上喇叭天線的理論分析,利用電磁仿真軟件CST,設計了如圖5所示的喇叭天線。首先,結合頻率2~20GHz帶寬要求,運用式(5)~式(9)確定圖3所示的脊波導的尺寸為a=22.425mm,a1=6.2mm,b=14.2mm,b1=1mm;其次,根據喇叭長度大于最低工作波長的一半(2GHz對應的工作波長約為150mm)和喇叭中點的阻抗為兩端阻抗的平均值要求,選取喇叭長度L=80mm,最后,結合饋電點雙脊間距b1和喇叭阻抗形式,確定近似的阻抗漸變的脊形狀曲線喇叭口徑為91mm×64mm。同時,直波導段長度小于最高工作頻率的半個波長(約7.5mm),這里選取波導長度為7.1mm,用50Ω同軸線饋電,N型接頭的內芯直徑為0.63mm,絕緣外芯直徑為2.02mm。通過CST軟件仿真,得到2~20GHz頻帶內駐波比曲線(如圖6)和增益曲線(如圖7)及低、中,高頻點的三維方向圖(圖8~圖10)。圖6顯示在2~20GHz頻段內,天線的駐波比小于2.2。圖7中天線在2~20GHz頻段內增益基本上在13dB附近。圖8~圖10顯示,在不同頻點處天線具有較好的方向性。3雙脊身份生長分析在雙脊喇叭天線主體尺寸(脊波導截面、喇叭長度、脊曲線)不變的前提下,通過改變雙脊喇叭天線的各附加尺寸(脊寬度、口徑大小、饋電處脊間距離、后部腔體)變量(單位:mm),對其駐波比、增益變化曲線圖進行分析。3.1中特性交流頻率的影響固定喇叭天線其他尺寸,僅改變脊寬a1大小,其駐波比和增益變化曲線如圖11、圖12所示。由圖11可知,隨脊寬度增加,2GHz附近匹配變好,中頻段匹配變差,高頻段匹配變好。產生原因是脊寬度變大導致脊波導低頻響應變好,中頻段阻抗匹配變差,當頻率增大至18~20GHz頻段,此時z=0附近處局部波導越來越符合該頻率下波長相比擬的特點,即大于1/2波長,促使駐波比變好。由圖12可見,脊寬度變化對14GHz以上的高頻段增益有較大的影響,隨著脊寬度的增加,高頻部分輻射加強,高頻等效喇叭口徑面越大,增益變大。主要原因是14~20GHz對應的半波長為7.5~10.7mm,隨著脊寬度從6.65~8.65mm增加到14GHz以上頻率的半波長以內,或者可以比擬時,相當于輻射口徑面增大,因而實際有效增益變大。3.2雙脊身份孔徑小由圖13可知,口徑的變化對駐波比影響不大。圖14表明,口徑大小變化對增益影響比較大,而且在不同頻率段的影響效果不同。主要原因是這種設計的雙脊喇叭天線,口徑變化從0.8到1.2倍,對于低頻來說,有效輻射口徑實質性增大,所以在2~6GHz頻段,增益增大;在18~20GHz頻段,口徑變化對z=0附近的結構大小影響非常小,所以增益也圍繞著13dB附近變化;中頻段,口徑變大,會使方向圖逐漸產生旁瓣,方向圖分裂,所以增益急劇變差。3.3不同脊間距離對316gx范圍的影響由圖15可見,兩脊之間的距離b1對駐波比影響主要表現在中端3~16GHz范圍,距離越大,駐波比越小。產生原因是隨著脊間距離增加,容性越差,導致該頻段的阻抗匹配越好,駐波比變小。圖16顯示,兩脊之間的距離b1對喇叭的增益影響比較小。3.4不同結構的改性分析圖17顯示,后部腔體對駐波比影響不大。由圖18可見,后部腔體對低頻段增益幾乎無影響,但對高頻增益部分影響較大。主要原因是當后腔長度增加到和1/4波長可以比擬時,增益變低。利用超寬帶喇叭天線的設計原理設計的2~20GHz帶寬的雙脊喇叭天線,其在整個頻段內駐波比都小于2.2,體積相對小,同時具有較高的增益和一致的方向圖。分析了喇叭天線不同部分尺寸對天線駐波比和增益的影響。結果表明:(1)隨著脊寬度變大,在低頻和高頻處天線匹配變好,而中頻段匹配變差;對增益的影響主要體現在高頻段;(2)口徑變大對駐波比影響不明顯,而對增益影響比較大,而且在不同頻率段的影響效果不同;(3)饋電處兩脊之間的距離對駐波比影響主要在中端3~16GHz范圍,脊距越大,駐波比越小,而增益變化不明顯;(4)后部腔體大小對駐波比的影響不大,對增益的影響體現在高頻段;綜合考慮以上結論,主體尺寸不變時,當附加尺寸中脊寬為8.65mm,口徑大小為0.8倍,饋電處脊距為1mm,后部腔體為3.6363mm時,可以提高天線的性能。式(1)中,Z∞為頻率無限大時脊波導特性阻抗;L為喇叭的長度;k是常數;z是喇叭長度變量。L值可由喇叭中點的阻抗作為兩端阻抗的平均值來確定。式(3)中,ZL/2為喇叭中點的阻抗值。脊波導的特性阻抗是脊波導的