王 昭

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

喇叭天線是一種應(yīng)用廣泛的微波天線，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶寬、功率容量大、調(diào)整與使用方便。合理選擇喇叭尺寸，可以取得良好的輻射特性：相當(dāng)尖銳的主瓣，較小副瓣和較高的增益[1]。因此，喇叭天線在軍事和民用上應(yīng)用都非常廣泛，是一種常見(jiàn)的測(cè)試用天線。同時(shí)在仿真計(jì)算中，喇叭天線可以作為輻射源，考察其他設(shè)備的響應(yīng)。

喇叭天線的基本形式是把矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)的開(kāi)口面逐漸擴(kuò)展而形成的，由于波導(dǎo)開(kāi)口面逐漸擴(kuò)大，改善了波導(dǎo)與自由空間的匹配，使得波導(dǎo)中的反射系數(shù)小，即波導(dǎo)中傳輸?shù)慕^大部分能量由喇叭輻射出去，反射的能量很小。文獻(xiàn)[2]對(duì)雙脊喇叭天線的設(shè)計(jì)與仿真。

本文對(duì)高頻喇叭天線進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，應(yīng)用限元軟件COMSOL進(jìn)行建模求解，分析高頻喇叭天線的輻射特性。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)頻段18～26.5 GHz的矩形喇叭天線，增益為15 dB，波導(dǎo)端口為BJ220，其中波導(dǎo)的長(zhǎng)寬分別為a=10.668 mm和b=4.318，特性阻抗為50 Ω。

選中心頻率22 GHz為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，代入如下公式：

其中，A為喇叭口寬度，B為喇叭口高度，為喇叭長(zhǎng)度，為波長(zhǎng)，G為所需增益。

合計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 喇叭天線的結(jié)構(gòu)尺寸

2 仿真建模

根據(jù)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在COMSOL軟件中進(jìn)行建模，首先建立天線單元如圖1所示。然后進(jìn)行求解域的設(shè)置。

圖1 天線單元

天線單元建立后進(jìn)行求解域的設(shè)計(jì)，如圖2所示，求解域稍大于天線本身尺寸，外圍再加完全匹配層（Perfectly Matched Layer，PML）進(jìn)行求解，以滿足遠(yuǎn)場(chǎng)的合理擴(kuò)散。

圖2 天線求解模型

幾何模型建立需要進(jìn)行離散化，也就是網(wǎng)格剖分，采用自由四面體進(jìn)行網(wǎng)格剖分，最大網(wǎng)格尺寸小于波長(zhǎng)的1/10，網(wǎng)格剖分的結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格設(shè)計(jì)

3 結(jié)果分析

模型建立后對(duì)其進(jìn)行掃頻計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如圖4—6所示。

圖4 喇叭天線的增益三維方向

圖4為天線在26 GHz時(shí)的三維增益方向圖，可以看出設(shè)計(jì)的喇叭天線方向性強(qiáng)，增益在15 dB左右，且能量主要集中在主瓣，副瓣所占能量分量較小，喇叭天線的設(shè)計(jì)中，天線的方向性越強(qiáng)，說(shuō)明天線輻射能量越集中，因此設(shè)計(jì)的天線符合設(shè)計(jì)需求。

圖5為天線在26 GHz時(shí)的二維增益方向圖，E面和H面的計(jì)算結(jié)果。方向圖表示天線輻射特性與空間角度的關(guān)系，從方向圖可以看出天線的波瓣寬度（天線輻射圖中低于峰值3 dB處所成夾角的角度）不大于15度，天線的方向性主要由主瓣寬度確定，主瓣越小，說(shuō)明天線的輻射能量越集中，接收能力越強(qiáng)，定向和方向性也就越強(qiáng)。方向圖中副瓣電平越低，表明天線在不需要方向上的輻射能量越弱，也可以說(shuō)對(duì)雜散波的抑制越強(qiáng)，抗干擾越好。

圖5 喇叭天線的增益二維方向（E面和H面）

從圖6可以看出，天線在頻段18～26.5 GHz內(nèi)的駐波比在1.1～1.32，駐波比越小表示天線發(fā)射的信號(hào)反射回來(lái)的越小，最小為1。中心頻率22 GHz時(shí)約1.2，在20 GHz時(shí)最大約1.32，在18 GHz和23 GHz時(shí)的駐波比相對(duì)較小，在1.1左右。

圖6 喇叭天線的駐波比

4 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)理論設(shè)計(jì)喇叭天線，計(jì)算喇叭天線的結(jié)構(gòu)尺寸。通過(guò)COMSOL軟件建立喇叭天線模型，進(jìn)行掃頻計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明符合設(shè)計(jì)需求。對(duì)喇叭天線的增益方向圖、駐波比進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)的天線可以作為模擬計(jì)算中的測(cè)試天線。

[參考文獻(xiàn)]

[1]閆潤(rùn)卿，李英惠.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1988.

[2]劉密歌，張麟兮.基于HFSS的雙脊喇叭天線的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子測(cè)量技術(shù)，2007（7）：142-145.