王欽玉，章社東，趙燕喃

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇南京，210006）

0 引言

近年來，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，超寬帶天線的設(shè)計(jì)與研究引起了越來越多的研究學(xué)者們的關(guān)注。在某些工程應(yīng)用領(lǐng)域，超寬帶天線還要求同時(shí)具有高增益以及良好的定向性能。TEM（Transverse Electromagnetic Wave，橫電磁波）喇叭天線由于結(jié)構(gòu)簡單、增益高、定向性好、功率容量大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高功率脈沖輻射系統(tǒng)、超寬帶無線通訊以及電磁兼容測量等領(lǐng)域。

目前已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了TEM喇叭的研究工作。文獻(xiàn)[1]中提出了一種超寬帶高增益TEM喇叭天線，其采用橢圓漸變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超寬帶特性，并在天線口徑處加載圓弧結(jié)構(gòu)以調(diào)控天線口面場分布，比口徑未處理前提高了1.2dBi,但是這種方式對天線增益的提高是有限的。文獻(xiàn)中，Mustafa Ilarslan等人采用介質(zhì)填充技術(shù)有效地將天線輻射能量束縛在喇叭天線內(nèi)部，有效地抑制了電磁波的散射以及在喇叭口徑處產(chǎn)生的電磁波繞射，改善了TEM喇叭天線的輻射特性。文獻(xiàn)[3]-[5],天線口徑處加載介質(zhì)透鏡，介質(zhì)透鏡使天線口徑處輻射出去的球面波的等相位面經(jīng)介質(zhì)透鏡的調(diào)控后，減小了口徑處中心場與邊緣場的相位差，改善了TEM喇叭天線高頻輻射時(shí)方向圖主瓣分裂的現(xiàn)象，在整個(gè)頻段內(nèi)，天線增益都有所提高。但是當(dāng)天線輻射時(shí)，介質(zhì)表面會被激勵起表面波，增加了輻射損耗，造成輻射效率大大降低，這種方式是以犧牲天線輻射效率為代價(jià)的。文獻(xiàn)[6]-[7],在天線口徑處進(jìn)行三角弧面延展，并且在天線背部加載反射腔，降低了天線的副瓣電平和后瓣電平，定向性得到一定程度的改善。

本文設(shè)計(jì)了一種基于組合振子形式的超寬帶高增益TEM喇叭天線。對于指數(shù)漸變結(jié)構(gòu)的TEM喇叭天線，將下極板設(shè)計(jì)為等寬結(jié)構(gòu)，并用作上極板的接地板，改善了低頻時(shí)天線阻抗匹配特性；其針對TEM喇叭天線高頻主瓣分裂的問題，通過加載介質(zhì)透鏡的方法將TEM喇叭天線輻射出去的球面波調(diào)控為平面波，從而減小天線口徑中心與邊緣口面場的相位差，改善了天線的高頻輻遠(yuǎn)場輻射特性。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

傳統(tǒng)的TEM喇叭天線由兩塊具有一定張角的三角形金屬板構(gòu)成，其基本原理與平行雙導(dǎo)線大體一致。TEM喇叭天線的特性阻抗是隨著兩導(dǎo)體片之間的距離和寬度的變化而變化的，由50Ω漸變成自由空間阻抗377Ω，從而實(shí)現(xiàn)寬帶化設(shè)計(jì)。為了獲得較為平緩的阻抗變化，本文選取了兩極板之間的距離呈現(xiàn)指數(shù)的漸變過程，極板的橫向呈現(xiàn)線性的漸變過程，距離d和寬度W的表達(dá)式如下：

天線設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了改善低頻時(shí)天線饋電平行板與同軸電纜的阻抗匹配，將下極板設(shè)計(jì)為等寬的結(jié)構(gòu)，用作上極板的接地板。同時(shí)，為了減小天線自身的電抗分量，降低天線品質(zhì)因數(shù)，進(jìn)一步拓展天線帶寬，在天線的上、下和后側(cè)面加載矩形金屬板。這些金屬板與TEM喇叭天線的上下極板構(gòu)成小電流環(huán)，其輻射機(jī)理與磁偶極子等效。這些磁偶極子進(jìn)一步減小了TEM喇叭天線的電抗分量，降低了天線的品質(zhì)因數(shù)，因此實(shí)現(xiàn)了較寬的阻抗匹配。為進(jìn)一步改善天線的匹配特性，在上極板與矩形金屬板之間加載指數(shù)漸變的條帶結(jié)構(gòu)，其窄邊與上極板的窄邊重疊，該條帶結(jié)構(gòu)從饋電處以指數(shù)形式漸變到上極板。此外，可以通過改變該帶條的位置和形狀對天線的阻抗匹配進(jìn)行調(diào)諧。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

對TEM喇叭天線設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)，TEM喇叭天線口徑中心和邊緣的口面場由于波程差的緣故出現(xiàn)了相位差。在高頻輻射時(shí)，電磁波的波長較短，導(dǎo)致波程差增大，相位差也增大，到一定程度后，會產(chǎn)生口面場相位突變進(jìn)而在遠(yuǎn)場抵消，導(dǎo)致輻射方向圖主瓣的分裂，方向性變差，增益降低。因此，針對TEM喇叭天線高頻主瓣分裂的問題，通過加載介質(zhì)透鏡的方法將TEM喇叭天線輻射出去的球面波折射成平面波，從而減小天線口徑中心與邊緣電磁波的相位差，改善了天線高頻輻射時(shí)的遠(yuǎn)場特性。

2 天線加工與實(shí)測

對設(shè)計(jì)的超寬帶TEM喇叭天線按表1參數(shù)進(jìn)行加工，然后進(jìn)行測試測試，天線加工實(shí)物如圖2所示。介質(zhì)透鏡采用3D打印技術(shù)進(jìn)行加工，打印材料選擇的是相對介電常數(shù)為2.7的樹脂材料。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)（mm）

圖2 天線加工實(shí)物圖

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對安裝介質(zhì)透鏡后的TEM喇叭天線進(jìn)行VSWR測量，圖3為測試和仿真的VSWR曲線對比圖。從仿真和實(shí)測的VSWR曲線可以看出，仿真和實(shí)測的VSWR在0.65GHz-20GHz的頻帶內(nèi)都小于2.5，達(dá)到了31:1的倍頻程。實(shí)測的VSWR曲線與仿真的VSWR曲線基本吻合，實(shí)測的VSWR曲線的波動較大，這是介質(zhì)透鏡對電磁波的反射造成的。

圖3 仿真與實(shí)測VSWR對比

在微波暗室對該天線進(jìn)行方向圖測量，圖4、圖5和圖6分別為仿真與實(shí)測的歸一化E面和H面輻射方向圖。高頻時(shí)仿真和實(shí)測的結(jié)果吻合良好，天線具有良好的定向性。

圖4 1GHz時(shí)仿真和實(shí)測的歸一化E面（左）和H面輻射方向圖（右）

圖5 10GHz時(shí)仿真和實(shí)測的歸一化E面（左）和H面輻射方向圖（右）

圖6 20GHz時(shí)仿真和實(shí)測的歸一化E面（左）和H面輻射方向圖（右）

圖7給出了仿真與實(shí)測增益對比，從仿真和實(shí)測的增益曲線圖可以看出，仿真與實(shí)測吻合良好，天線增益整體呈現(xiàn)一個(gè)上升的趨勢。20GHz時(shí)，增益達(dá)到了最大值，為18.7dBi，并沒有出現(xiàn)未加載介質(zhì)透鏡的TEM喇叭天線高頻增益下降的現(xiàn)象，由此說明加載介質(zhì)透鏡可以改善TEM喇叭天線的高頻特性，提高了TEM喇叭天線的定向性以及增益。

圖7 仿真和實(shí)測的增益曲線

3 結(jié)論

本文將指數(shù)漸變TEM喇叭天線的下極板設(shè)計(jì)為等寬的結(jié)構(gòu)，改善了低頻時(shí)天線饋電平行板與同軸電纜的阻抗匹配；其次，采用磁偶極子低頻補(bǔ)償技術(shù)，通過在天線上、下和后側(cè)面加載矩形金屬板，以及在上極板與矩形金屬板之間加載匹配帶條的方式，設(shè)計(jì)出一種組合振子形式的超寬帶TEM喇叭天線；針對TEM喇叭天線高頻主瓣分裂的問題，采用介質(zhì)透鏡的方法改善輻射特性；對上述設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真優(yōu)化，并制作了天線實(shí)物在微波暗室內(nèi)進(jìn)行測試。結(jié)果表明，天線在0.65GHz-20GHz的頻帶內(nèi)駐波比小于2.5，達(dá)到了31:1的倍頻程，工作頻帶內(nèi)方向圖定向特性良好，有效地改善了高頻輻射方向圖主瓣分裂的現(xiàn)象。對于超寬帶高增益TEM喇叭天線的設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值。