郭 林，黃風(fēng)義，唐旭升

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

在微波毫米波波段，由于波長很小，以線天線為基礎(chǔ)的天線系統(tǒng)不再適用。而由于微波的似光性，類似于光學(xué)系統(tǒng)的一些天線設(shè)備得到了應(yīng)用。這些天線通常是一個電磁場已知的開口面。口徑天線是各類寬帶天線中能獲得較高增益的一種天線［1－2］。

微波毫米波和準(zhǔn)太赫茲波段通常采用口徑面天線，在這種天線中場源發(fā)出的波通過口徑向外繞射，類似于光透過屏上小孔的繞射?？趶矫嫣炀€可以認(rèn)為是由兩個基本部分所組成，一部分用來將高頻電流能量轉(zhuǎn)換為電磁波輻射能量，稱作饋源，它是終端開口波導(dǎo)、喇叭、振子等弱方向性天線;另一部分用以產(chǎn)生所需要的方向性，如拋物面、雙曲面和透鏡等［1－2］。

較典型的口徑天線有喇叭天線、拋物面天線和透鏡天線。其中喇叭天線具有如下優(yōu)點:較高的增益，較好的方向性，較低的電壓駐波比，較好的頻率特性，較大的功率容量和簡單的結(jié)構(gòu)。喇叭天線通常是由波導(dǎo)激勵的開口喇叭［3－5］。

喇叭天線的出現(xiàn)與早期應(yīng)用可追溯到十九世紀(jì)后期，雖然在二十世紀(jì)早期人們對它不夠重視，但是到了三十年代后期，由于第二次世界大戰(zhàn)期間對微波和波導(dǎo)傳輸線的興趣，它便開始被發(fā)展起來［5－6］。

本文提出了一種工作在W 波段的角錐喇叭天線。利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 11 探討喇叭尺寸和天線性能之間的關(guān)系。本文中提出的喇叭天線在75 GHz～110 GHz 工作頻段內(nèi)的回波損耗小于－20 dB，增益大于20 dB，表明該天線具有良好的工作特性。

1 天線設(shè)計

一個喇叭天線的工作原理可簡述如下:輸入電磁場通過波模的激勵、傳輸和控制、利用而到達(dá)口面形成口面場，此口面場向空間輻射，在輻射區(qū)干涉疊加，形成了輻射場在空間的分布——幅度方向圖和相位方向圖，并得到與此有關(guān)的各項輻射性能。因此，可以將喇叭天線分為三個部分，即:(a)喇叭的激勵部分——輸入段;(b)波模的激發(fā)和傳輸段;(C)喇叭的輻射端——口面。喇叭的激勵，通常用棒激勵或孔激勵或波導(dǎo)口激勵或這些激勵的混合。因為常見波導(dǎo)是矩形截面的，所以用它來激勵圓形截面喇叭時，需要有設(shè)計成線性漸變的或臺階形式的矩一圓過渡器來連接它們。在喇叭內(nèi)，要研究內(nèi)場——波模的激發(fā)、形式、含量以及傳輸、控制、利用等;在喇叭外，要研究外場——輻射場，包括幅度方向圖、相位方向圖、相位中心、波瓣寬度、方向性系數(shù)等［1－3］。

對喇叭天線的分析，通常采用近似法，分兩步進行:①求喇叭天線的口面場，將喇叭天線延伸為無限長的、側(cè)壁為理想導(dǎo)體的扇形或錐形金屬波導(dǎo)。近似認(rèn)為喇叭天線在口面處的場(即口面場)等于無限長扇形或錐形金屬波導(dǎo)中相應(yīng)位置的場;②求喇叭天線的口面輻射場，由喇叭天線的口面場求喇叭天線的口面輻射場。

矩形喇叭天線主要有:由矩形波導(dǎo)的H 平面(即波導(dǎo)的寬邊)逐漸展開而成的H 面扇形喇叭，由矩形波導(dǎo)的E 平面(即波導(dǎo)窄邊)逐漸展開而成的E 面扇形喇叭和由矩形波導(dǎo)的E 平面和H 平面(即波導(dǎo)的窄邊和寬邊)，同時逐漸展開而成的角錐形喇叭。

本文所設(shè)計的就是角錐形喇叭，其結(jié)構(gòu)示意圖及結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。喇叭天線有很多參數(shù)，可以應(yīng)用這些參數(shù)來設(shè)計各種最佳喇叭。本文選用最佳增益天線法，即在滿足指標(biāo)前提下，使喇叭幾何尺寸量最小。

圖1 角錐喇叭結(jié)構(gòu)及尺寸

要得到最佳增益天線，H 面扇形喇叭應(yīng)該滿足的尺寸關(guān)系為:

E 面扇形喇叭應(yīng)該滿足的尺寸關(guān)系為:

角錐喇叭要達(dá)到最優(yōu)尺寸關(guān)系，喇叭長度與口徑尺寸需同時滿足式(1)和式(2)。最優(yōu)角錐喇叭天線的增益為:

其中εap為喇叭天線的口徑效率［3－6］。

為了得到天線的最佳尺寸，采用Ansoft HFSS 11對天線進行了仿真計算。天線的仿真模型如圖2所示。由式(3)可知，在喇叭天線口徑效率一定的條件下，天線的增益和口徑大小成正比，但實驗表明過度增大口徑會導(dǎo)致波束過窄、波瓣分裂和旁瓣增大等一系列問題。經(jīng)過多次優(yōu)化，得到的最優(yōu)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖2 角錐喇叭仿真模型

2 天線設(shè)計結(jié)果

本文采用基于有限元分析的計算電磁仿真軟件Ansoft HFSS 11 對天線進行仿真，并按照表1所述的尺寸加工、測試，最終制作的天線實物如圖3所示。天線采用WR－10 型號的波導(dǎo)饋電，法蘭型號為UG387。

從圖4 中可以看出，天線的回波損耗在75 GHz～110 GHz 頻段內(nèi)優(yōu)于－20 dB，測量結(jié)果與計算仿真結(jié)果吻合較好，表明天線在W 波段具有良好的頻率特性。

圖3 角錐喇叭天線

圖4 天線的回波損耗

阻抗帶寬并不足以說明天線的實際帶寬，必須對天線不同工作頻率下的方向圖進行測試才能確定方向圖帶寬。方向圖的測量在微波暗室中進行。在測量遠(yuǎn)區(qū)場輻射特性的基礎(chǔ)上，利用標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線可以計算出天線的增益。圖5所示的是天線在工作頻段內(nèi)的增益特性。從測試結(jié)果可見，天線在整個頻段內(nèi)基本具有比較平坦的增益特性，平均增益大約為20 dB～25 dB 左右。

天線在90 GHz 的輻射方向圖如圖6所示?？梢钥闯?，天線在90 GHz 的增益約為23 dB，而且E面和H 面3 dB 的波瓣寬度大致相等。

圖5 天線的增益特性

圖6 天線的輻射方向圖

3 結(jié)論

本文提出了一種利用工作在W 波段的角錐喇叭天線，天線采用波導(dǎo)饋電。利用電磁場仿真軟件Ansoft HFSS 11 對天線進行仿真優(yōu)化，并加工、測試。該天線具有很寬的阻抗帶寬，在75 GHz～110 GHz 頻段內(nèi)天線回波損耗優(yōu)于－20 dB，增益高于20 dB，具有良好的頻率特性和定向輻射性能。

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