喬旭光，姜兆能,2，趙曉燕

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 信息工程系，安徽 宣城 242000；2.毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

0 引言

近年來，隨著超寬帶天線技術(shù)在雷達(dá)和通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，超寬帶天線的需求也逐步增長。其中，喇叭天線是最常用的一種天線結(jié)構(gòu)。喇叭天線具有結(jié)構(gòu)和饋電簡單，寬頻帶，高功率電容和高增益等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于識(shí)別和成像，隱形和反隱形，地面目標(biāo)偵查和短距離無線通信場等領(lǐng)域中。適當(dāng)選擇喇叭天線的尺寸和形狀可以實(shí)現(xiàn)良好的輻射特性，包括尖銳的主波瓣、低旁波瓣、高增益和低駐波比(VSWR)。喇叭天線不但可以作為獨(dú)立天線，也可以作為反射面天線的饋源，作為相控陣天線的一般天線單元，或者也可以作為對(duì)其他高增益天線進(jìn)行校準(zhǔn)和增益測試的通用標(biāo)準(zhǔn)。

目前已有大量關(guān)于喇叭天線的研究，如文獻(xiàn)[1]中提出了一種應(yīng)用于0.2～2.5 GHz的超寬帶雙脊喇叭天線(DRHA)，采用新的同軸-脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，改善了天線的駐波特性和增益特性。文獻(xiàn)[2]介紹了一種用于測試微波暗室中天線方向圖，工作在75～500 MHz的雙極化寬帶喇叭天線。文獻(xiàn)[3-5]分析了脊結(jié)構(gòu)對(duì)喇叭天線性能的影響。文獻(xiàn)[6]提出在不改變天線尺寸和質(zhì)量的情況下，利用介質(zhì)透鏡消除DRHA的輻射模式惡化問題，同時(shí)改善了天線的帶寬和增益。

文章在參考以上研究的基礎(chǔ)上，提出了在喇叭天線上同時(shí)加載金屬脊和介質(zhì)透鏡的方法。介質(zhì)透鏡是根據(jù)幾何光學(xué)理論，將天線輻射的能量通過透鏡折射匯聚為高增益的波束輻射，從而在增強(qiáng)方向性的同時(shí)提高天線的增益，在文中用于改善喇叭天線的性能[7-9]。結(jié)果表明,介質(zhì)透鏡的使用能顯著提高喇叭天線的增益。

1 天線結(jié)構(gòu)描述

1.1 改進(jìn)前喇叭天線的結(jié)構(gòu)

圖1為喇叭天線的結(jié)構(gòu)。由圖可知，該喇叭天線可分為波導(dǎo)、喇叭和饋電3部分。喇叭天線的總長度H為363 mm，開口尺寸(W×L)為260 mm×192 mm。輻射波沿z方向傳播。

圖1 喇叭天線的結(jié)構(gòu)

同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器采用50 Ω同軸線作為饋電(見圖2(a))。由于常見波導(dǎo)的阻抗遠(yuǎn)大于該同軸線的阻抗，內(nèi)部導(dǎo)體必須遠(yuǎn)離波導(dǎo)壁以防止阻抗失配。該同軸轉(zhuǎn)換器的具體尺寸如圖2(b)所示。同軸線的外部導(dǎo)體與波導(dǎo)相連。波導(dǎo)尺寸L5×W1×H1為27.2 mm×54.8 mm×78 mm。圖中,H5為同軸線內(nèi)軸直徑，L1為超出外軸長度，H3為外軸內(nèi)徑，H4為外徑，L2為長度。

圖2 同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的尺寸

1.2 加載金屬脊和透鏡的喇叭天線的結(jié)構(gòu)

由于喇叭天線的主模傳輸頻率范圍受到波導(dǎo)尺寸的限制，為了擴(kuò)大該喇叭天線的帶寬，天線在波導(dǎo)兩側(cè)使用雙楔形金屬脊，通過脊波導(dǎo)來降低主模的截止頻率，從而在高次模出現(xiàn)前展寬單模工作的頻帶。與此同時(shí)，在喇叭天線頂部加載球面介質(zhì)透鏡，能夠有效補(bǔ)償由于楔形脊的應(yīng)用造成的喇叭增益下降，而透鏡對(duì)喇叭天線的帶寬的影響幾乎可以忽略不計(jì)。介質(zhì)透鏡提高增益的機(jī)理可以借鑒光學(xué)透鏡的相關(guān)理論來解釋。

喇叭天線的輻射分布如圖3所示，根據(jù)幾何光學(xué)理論，由饋源O發(fā)出的電磁波到達(dá)喇叭口徑面邊緣和口徑中心的路徑差為

(1)

圖3 透鏡提高增益的原理圖

由于饋源O發(fā)出的電磁波到達(dá)喇叭口徑面的傳播路徑長度不同，從而造成了喇叭口徑面相位差。口徑面相位差過大會(huì)導(dǎo)致口徑面效率降低，增益變小，副瓣升高，甚至?xí)谥靼晟闲纬砂伎印?/p>

根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中的相速、波長與介質(zhì)的折射率n成反比，選用n>1的介質(zhì)作為透鏡，使電磁波在介質(zhì)透鏡中的波長變短，從而校正喇叭口徑面相位差。

由圖3可知，球面介質(zhì)透鏡表現(xiàn)為中間厚，兩端逐漸變薄，這樣電磁波經(jīng)過透鏡后，在天線口面的相位近似相等，成為等相位面，實(shí)現(xiàn)天線口面相位差校正。在O點(diǎn)到口徑面上任一點(diǎn)光程滿足的情況下，O點(diǎn)處的饋源發(fā)出的球面波在透鏡口徑平面上同相。

OP=OQ+n(QQ′)

(2)

該天線的結(jié)構(gòu)如圖4所示。矩形波導(dǎo)兩側(cè)加載雙楔形金屬脊，脊的剖面結(jié)構(gòu)為直角三角形結(jié)構(gòu)。喇叭口徑面加載球面介質(zhì)透鏡，表現(xiàn)為截取球形介質(zhì)的一部分嵌入喇叭口徑內(nèi)。透鏡的電介質(zhì)材料為聚四氟乙烯，相對(duì)介電常數(shù)εr=2.1，n=1.45，介電損耗角tanδ=0.001。介質(zhì)球體半徑為121.25 mm。介質(zhì)球體球心和喇叭天線的開口面中心相距74.3 mm。楔形金屬脊和球面介質(zhì)透鏡的具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。經(jīng)過HFSS軟件的仿真，表1為該天線的最優(yōu)尺寸數(shù)值。

圖4 帶金屬脊和透鏡的喇叭天線結(jié)構(gòu)

圖5 雙楔形金屬脊和球面介質(zhì)透鏡的具體結(jié)構(gòu)尺寸

表1 天線的最優(yōu)尺寸參數(shù)

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 金屬脊對(duì)喇叭天線帶寬和增益的影響

在對(duì)上述喇叭天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述后，通過HFSS軟件對(duì)喇叭天線的參數(shù)進(jìn)行仿真。

首先分析金屬脊對(duì)喇叭天線帶寬的影響。對(duì)有金屬脊和無金屬脊的喇叭天線的駐波系數(shù)進(jìn)行分析(見圖6)。其中，“有脊天線”指的是帶有雙楔形金屬脊的喇叭天線，“無脊天線”指的是傳統(tǒng)喇叭天線。根據(jù)圖6分析，金屬脊可以將工作頻帶增加到2～12 GHz，與傳統(tǒng)喇叭天線的工作頻帶寬相比有顯著增加。對(duì)比喇叭天線在改進(jìn)前、后的工作頻率點(diǎn)的最大增益值如圖7所示。由圖可知，在增加楔形金屬脊后，喇叭天線在一些頻率點(diǎn)處的增益明顯降低。

圖6 有脊天線和無脊天線的駐波比

圖7 有脊天線和無脊天線的最大增益值

2.2 透鏡對(duì)喇叭天線帶寬和增益的影響

圖8 帶金屬脊和透鏡的喇叭天線的最大增益曲線

為了補(bǔ)償金屬脊對(duì)喇叭天線增益的負(fù)面影響，利用球面介質(zhì)透鏡校正喇叭口徑面相位差來提高天線增益。圖8為該天線在工作頻帶下的最大增益曲線?！凹蛹辜油哥R”指的是結(jié)合了雙楔形金屬脊和球面介質(zhì)透鏡的喇叭天線，“無脊無透鏡”指的是傳統(tǒng)喇叭天線，“帶脊天線”指的是只加載雙楔形金屬脊的喇叭天線。由圖8可知，加載介質(zhì)透鏡的喇叭天線增益高于傳統(tǒng)喇叭天線，尤其是在6.5 GHz時(shí)最大增益提高了2.82 dBi。

圖9對(duì)喇叭天線的駐波比進(jìn)行了分析。根據(jù)仿真結(jié)果，球面介質(zhì)透鏡只增加了喇叭天線在工作頻帶內(nèi)的增益，對(duì)喇叭天線的駐波比影響不大，其帶寬與只加金屬脊的天線帶寬相同。

圖9 帶金屬脊和透鏡的喇叭天線的駐波比

圖10分析了改進(jìn)后喇叭天線在工作頻率為6 GHz時(shí)的輻射圖。對(duì)比加脊加透鏡改進(jìn)天線與無脊無透鏡傳統(tǒng)天線輻射圖可以發(fā)現(xiàn)，該天線輻射方向圖的主波瓣高于傳統(tǒng)喇叭天線，且波束寬度有明顯改善。

圖10 改進(jìn)后喇叭天線在6 GHz頻率下的輻射圖

2.3 改進(jìn)后天線的遠(yuǎn)場區(qū)輻射方向圖

為了突出喇叭天線在加載介質(zhì)透鏡后其輻射特性的顯著提升，圖11、12為使用介質(zhì)透鏡前、后的天線三維輻射方向圖。對(duì)比圖11、12可知，使用透鏡后，天線在6 GHz下的最高增益由20.93 dBi提高到22.87 dBi，其主波瓣變窄，副波瓣降低，方向性明顯較使用透鏡前優(yōu)異。由此可見，介質(zhì)透鏡的使用改善了喇叭天線的性能。

圖11 無透鏡喇叭天線在6 GHz下的三維輻射圖

圖12 帶透鏡喇叭天線在6 GHz下的三 維輻射圖

3 結(jié)束語

本文介紹了一種超寬帶高增益的喇叭天線，利用雙楔形金屬脊和球面介質(zhì)透鏡來提高天線的性能。仿真結(jié)果表明，該天線的工作頻率在2～12 GHz，其駐波比小于2(相對(duì)帶寬為142.8%)。此外，球面介質(zhì)透鏡在工作頻帶內(nèi)有效提高了天線的增益。本文提出的天線適合作為其他寬帶應(yīng)用中的發(fā)射天線。在未來的工作中，可以采用其他參考文獻(xiàn)中的一些成熟技術(shù)來進(jìn)一步提高天線的性能。