基于HFSS的雙脊喇叭天線的設計與仿真

引 言

對喇叭天線而言，最常用的展寬頻帶的方法是在波導部分及喇叭張開部分加入脊形結(jié)構(gòu)。雖然該天線已應用于某些工程實際中，但是此類天線在頻率大于12 GHz時，增益下降，方向圖主瓣出現(xiàn)分裂，并且隨著頻率的升高，主瓣凹陷得越來越厲害。這對方向圖要求高的場合，如將天線用作主反射面饋源、EMC測試，已不能滿足要求。針對這一問題，本文利用Ansoft公司推出的HFSS電磁仿真軟件，通過做大量的仿真實驗，設計了一幅頻率范圍為1～18GHz的寬帶喇叭天線，它的增益在整個頻段大于10 dB，方向圖在15 GHz時，主瓣才開始出現(xiàn)分裂，并且隨著頻率的升高，直到18 GHz主瓣也沒有出現(xiàn)大的凹陷，這樣的結(jié)果比較理想，可以滿足更高的工程要求。

1 寬帶雙脊喇叭天線的設計

基于電磁仿真軟件HFSS，通過做大量的仿真實驗，得到寬帶雙脊喇叭天線結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，它由3部分組成：饋電部分，脊波導部分，喇叭張開部分。各部分的具體設計過程如下。

1.1 脊波導部分設計

脊波導部分的橫截面示意圖如圖2所示，波導的橫截面尺寸為a×6，脊寬為a1，脊間距為b1，設計時主要依據(jù)脊波導理論。在設計時，首先確定b/a，b1/b，a1/a的值，然后參考文獻[4]的曲線就可得λCE10/A匹，λCE30/a及頻率為無窮大時TE10模的特性阻抗z0∞的值，通過式(1)算出在給定工作頻率f下的特性阻抗以便于饋電段的設計：

為了改善饋電段到喇叭段的匹配，讓它的橫截面尺寸逐漸增大，所以這部分的整體結(jié)構(gòu)設計成一個E面的扇形喇叭，再在兩個窄壁面上加2個楔體以改善高頻端的方向圖。

1.2 饋電部分的設計

饋電部分的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，通常采用N型同軸接頭饋電，同軸線的外導體連在波導的側(cè)壁上，同軸線的內(nèi)導體通過第一個脊的腔體，連到第二個脊上形成短路，內(nèi)導體在波導腔內(nèi)可看作一單極輻射器，由于普通波導的阻抗遠大于同軸線的阻抗，因此內(nèi)導體必須終止在遠離波導壁的地方，以防止失配，而脊波導的阻抗與同軸線的阻抗相一致，所以同軸線的內(nèi)導體必須接在相對的脊上以利于匹配。最后，再在脊波導的后端加一段直波導(長度應小于最高工作頻率的半個波長)，作為濾除被激勵出來的TE20模，因此脊波導的可用帶寬應是λc10/λc30，而不是λc10/λc20.顯而易見，單模工作帶寬被大大的加寬了。

1.3 喇叭段的設計

喇叭段的長度應大于最低工作頻率波長的一半，這樣才能保證阻抗轉(zhuǎn)換過程中不激起高次模。喇叭的口面按照常規(guī)喇叭的設計方法，根據(jù)增益與口徑面相差的要求來確定，因為場分布主要集中在兩個脊的附近，所以考慮加工后實際喇叭的重量可以將兩個窄壁面去掉，這樣對低頻端的方向圖稍有影響，經(jīng)過反復的調(diào)整，最后兩個窄壁面采用介質(zhì)板，并在其上均勻分布6條很窄的金屬片，脊的形狀根據(jù)阻抗匹配原則設計。為了使饋電點阻抗能夠平滑的過渡到喇叭口自由空間阻抗，基于大量的實驗發(fā)現(xiàn)，阻抗變換形式為如下所示，具有較好的效果

式中：l是喇叭段的長度，k是常數(shù)，它可由喇叭中點的阻抗為兩端阻抗的平均值這樣的條件來確定。因此脊結(jié)構(gòu)的形狀曲線一般也為指數(shù)形式，如式(6)所示。附加的線性項，可起到擴展低頻帶寬的作用。