一种超宽带双脊喇叭天线的设计

一种超宽带双脊喇叭天线的设计

瞬态电磁的应用带超宽带的喇嘛天线具有宽工作带宽、良好的方向和稳定的相平衡量。它在带宽通信、扩频通信、雷达、兼容性等瞬态磁体领域得到了广泛应用。本文依据超宽带喇叭天线的设计原理,利用电磁仿真软件设计和仿真了一副频率为2~20GHz宽带的双脊喇叭天线。1双脊导电奇模断线喇叭天线的结构可分为波导段和喇叭段两部分,如图1所示。波导段分为直波导段和脊波导段。直波导的作用是滤除波导内被激励出来的TE20模,其长度应小于最高工作频率的半个波长;采用脊波导主要考虑加脊以降低主模传输的截止频率。为了改善馈电段到喇叭段之间的匹配,需要把脊波导横截面积尺寸逐渐加大,到喇叭口处面积最大,因而这部分结构可以近似为加脊喇叭。喇叭段的长度应大于最低工作波长的一半,这样才能保证阻抗转换过程中不激起高次模。喇叭口面的大小由天线脊曲线大小来确定。当喇叭阻抗Z为如下形式时,具有较好的效果:脊形状是根据阻抗渐变表达式进行设计。通过对模型进行多次调试,发现若给指数项再加上一次线性项,可以起到扩展频带的作用。即图2为喇叭脊形状曲线,其中b1为两脊之间的间距,L为喇叭的长度。式(2)中,一般情况下A由两脊之间的间距b1决定,即A=b1/2。系数k和C由两个点的坐标来确定。这里可以选取曲线的终点和中点坐标。若把喇叭口面的阻抗看作空气波阻抗,并把它作为喇叭的终端负载,喇叭本身作为馈源与负载之间的阻抗变换器,喇叭中的脊起阻抗匹配作用,所以在喇叭中点的阻抗可近似为双脊波导截面图如图3所示,设双脊波导的宽和高分别为a,b,脊的宽度以及脊间距分别为a1,b1。双脊波导截面为z=0处的喇叭天线截面,双脊波导奇模截止波长谐振方程式如下:插入到脊体腔内的探针直径选为已经设计的尺寸大小(mm),为了和50Ω的同轴线匹配,脊体内的空气腔体直径满足同轴线特性阻抗Z1公式:式中,m、n为内导体和外导体直径;εr为内外导体间所填充介质的相对介电常数。由于经过了较长时间发展,喇叭天线有些部件已经形成标准件,图4所示为一标准同轴接头(N型头)。在喇叭天线优化设计时,应以这些标准件的尺寸为基础进行优化,这样优化出来的天线以后的加工成本最低。2天线参数的确定基于以上喇叭天线的理论分析,利用电磁仿真软件CST,设计了如图5所示的喇叭天线。首先,结合频率2~20GHz带宽要求,运用式(5)~式(9)确定图3所示的脊波导的尺寸为a=22.425mm,a1=6.2mm,b=14.2mm,b1=1mm;其次,根据喇叭长度大于最低工作波长的一半(2GHz对应的工作波长约为150mm)和喇叭中点的阻抗为两端阻抗的平均值要求,选取喇叭长度L=80mm,最后,结合馈电点双脊间距b1和喇叭阻抗形式,确定近似的阻抗渐变的脊形状曲线喇叭口径为91mm×64mm。同时,直波导段长度小于最高工作频率的半个波长(约7.5mm),这里选取波导长度为7.1mm,用50Ω同轴线馈电,N型接头的内芯直径为0.63mm,绝缘外芯直径为2.02mm。通过CST软件仿真,得到2~20GHz频带内驻波比曲线(如图6)和增益曲线(如图7)及低、中,高频点的三维方向图(图8~图10)。图6显示在2~20GHz频段内,天线的驻波比小于2.2。图7中天线在2~20GHz频段内增益基本上在13dB附近。图8~图10显示,在不同频点处天线具有较好的方向性。3双脊身份生长分析在双脊喇叭天线主体尺寸(脊波导截面、喇叭长度、脊曲线)不变的前提下,通过改变双脊喇叭天线的各附加尺寸(脊宽度、口径大小、馈电处脊间距离、后部腔体)变量(单位:mm),对其驻波比、增益变化曲线图进行分析。3.1中特性交流频率的影响固定喇叭天线其他尺寸,仅改变脊宽a1大小,其驻波比和增益变化曲线如图11、图12所示。由图11可知,随脊宽度增加,2GHz附近匹配变好,中频段匹配变差,高频段匹配变好。产生原因是脊宽度变大导致脊波导低频响应变好,中频段阻抗匹配变差,当频率增大至18~20GHz频段,此时z=0附近处局部波导越来越符合该频率下波长相比拟的特点,即大于1/2波长,促使驻波比变好。由图12可见,脊宽度变化对14GHz以上的高频段增益有较大的影响,随着脊宽度的增加,高频部分辐射加强,高频等效喇叭口径面越大,增益变大。主要原因是14~20GHz对应的半波长为7.5~10.7mm,随着脊宽度从6.65~8.65mm增加到14GHz以上频率的半波长以内,或者可以比拟时,相当于辐射口径面增大,因而实际有效增益变大。3.2双脊身份孔径小由图13可知,口径的变化对驻波比影响不大。图14表明,口径大小变化对增益影响比较大,而且在不同频率段的影响效果不同。主要原因是这种设计的双脊喇叭天线,口径变化从0.8到1.2倍,对于低频来说,有效辐射口径实质性增大,所以在2~6GHz频段,增益增大;在18~20GHz频段,口径变化对z=0附近的结构大小影响非常小,所以增益也围绕着13dB附近变化;中频段,口径变大,会使方向图逐渐产生旁瓣,方向图分裂,所以增益急剧变差。3.3不同脊间距离对316gx范围的影响由图15可见,两脊之间的距离b1对驻波比影响主要表现在中端3~16GHz范围,距离越大,驻波比越小。产生原因是随着脊间距离增加,容性越差,导致该频段的阻抗匹配越好,驻波比变小。图16显示,两脊之间的距离b1对喇叭的增益影响比较小。3.4不同结构的改性分析图17显示,后部腔体对驻波比影响不大。由图18可见,后部腔体对低频段增益几乎无影响,但对高频增益部分影响较大。主要原因是当后腔长度增加到和1/4波长可以比拟时,增益变低。利用超宽带喇叭天线的设计原理设计的2~20GHz带宽的双脊喇叭天线,其在整个频段内驻波比都小于2.2,体积相对小,同时具有较高的增益和一致的方向图。分析了喇叭天线不同部分尺寸对天线驻波比和增益的影响。结果表明:(1)随着脊宽度变大,在低频和高频处天线匹配变好,而中频段匹配变差;对增益的影响主要体现在高频段;(2)口径变大对驻波比影响不明显,而对增益影响比较大,而且在不同频率段的影响效果不同;(3)馈电处两脊之间的距离对驻波比影响主要在中端3~16GHz范围,脊距越大,驻波比越小,而增益变化不明显;(4)后部腔体大小对驻波比的影响不大,对增益的影响体现在高频段;综合考虑以上结论,主体尺寸不变时,当附加尺寸中脊宽为8.65mm,口径大小为0.8倍,馈电处脊距为1mm,后部腔体为3.6363mm时,可以提高天线的性能。式(1)中,Z∞为频率无限大时脊波导特性阻抗;L为喇叭的长度;k是常数;z是喇叭长度变量。L值可由喇叭中点的阻抗作为两端阻抗的平均值来确定。式(3)中,ZL/2为喇叭中点的阻抗值。脊波导的特性阻抗是脊波导的