0.8~2.5 GHz 双极化四脊圆锥喇叭天线设计

0、引言

喇叭天线由于其多功能性、简单性和好的辐射性能，在微波测量、雷达和探测系统中有广泛的应用。展宽喇叭天线工作频带，最直接的方法就是在喇叭的波导和喇叭张开部分加入脊结构。脊喇叭天线增益高，阻抗低，体积小，易于和传输线连接，适合用在雷达、电子对抗设备以及微波电子器件中。喇叭天线作为馈源组阵时，圆锥喇叭可以节省空间，便于控制阵元间距而抑制栅瓣。近来对加脊喇叭天线分析的文章很多，但是在具体的设计方面分析的很少。本文对设计四脊圆锥喇叭天线的关键参数进行了分析以及仿真优化。加脊的喇叭天线极大地满足了在宽频带天线领域的应用。

1、天线设计及优化

1.1 天线的设计

脊喇叭天线是在喇叭天线的基础上，通过改变天线的结构来提升辐射性能。该喇叭天线作为馈源组阵，所以在天线设计过程中应综合考虑喇叭的口径与阵元间距的关系，既要避免溢出损耗，又要保证单元尺寸不要超过最大阵元间距而无法排布。

四脊喇叭可以看成两个对称的双脊喇叭，通过对脊波导理论的分析，根据设计参数指标的要求，设计出满足要求的四脊波导的结构和喇叭内脊曲线的形式，最终完成天线结构的设计。

脊喇叭结构如图1 所示。喇叭馈电采用同轴线馈电，同轴线的内外径设计保证和50 Ω匹配。根据同轴线特性阻抗公式：

$1.。

式中：a 为同轴线内导体的直径;b 为外导体的直径;εr为导体间填充介质的相对介电常数;Z0 为50 Ω的匹配阻抗。

波导段分为脊波导段和脊波导后面的直波导段，脊波导参数初值采用文献9的方法确定。直波导滤除脊波导激起的高次模，起着展宽喇叭工作带宽的作用。

直波导段后面是匹配块，根据一般的设计经验，探针距匹配块距离小于二分之一的最小波长。

最后是喇叭部分和喇叭内脊形状的设计，为了使在阻抗转换过程中不激起高次模，喇叭的长度应大于二分之一的最大波长，喇叭口径的大小由天线增益和口径面相位差确定。脊喇叭天线的脊指数曲线表达设为：

$2.。

式中：A 的值为1/2脊间距;k 的值根据喇叭内脊曲线的终点坐标值来确定。

喇叭口径的理论值约为0.7倍的最大波长，即262 mm,考虑到喇叭作为相控阵馈源，口径不能设计的太大，中和增益和口径的关系，脊曲线在口面处截断。

1.2 天线的优化

设计出喇叭的初步尺寸，再利用HFSS软件进行仿真优化，在优化过程中不断调整喇叭的尺寸直到达到预期设计目标。由于喇叭的结构较复杂，需要优化的参数比较多，可以固定几个参数，缩小优化范围。主要从以下几个方面进行优化。

1.2.1 匹配块及波导结构的优化

喇叭天线的馈电部分是内径相等的波导，由于脊波导与匹配块连接部分需要有空隙，采用在匹配块上开半球形槽的办法来满足。同时在脊波导段上有台阶设计[1],仿真发现，有台阶的脊波导对天线驻波比有很好的影响，通过调节台阶的厚度，达到优化的驻波比。结构如图2所示。

1.2.2 脊波导内脊宽度和脊间距的优化

脊的宽度和脊间距对喇叭天线的工作带宽有关键作用，设计宽频带喇叭天线首先要保证馈电波导在整个频带范围内有好的电特性。脊的终端由尖顶削成平顶，如图3所示，这样设计是为了减小四个脊终端之间的相互影响，同时减小了脊间距，以及使加工方便。

1.2.3 喇叭内脊曲线形状的优化

最后将对脊体的形状进行优化，给指数函数再加上一个一次项，可以起到扩展频带的作用，修正后的脊曲线方程为：

$3.。

脊曲线示意图如图4所示。图中Dy 为喇叭口面的口径宽度;b 为脊间距;L 为喇叭的长度;C 取经验值。

0.02.

2、仿真结果

根据上述设计优化步骤，设计了一个在0.8~2.5 GHz频带内工作，口径为240 mm,长度为320 mm,其中喇叭段长度为260 mm,波导段口径为35 mm 的宽频带双极化四脊喇叭，喇叭天线模型如图5所示。

利用高频电磁仿真软件HFSS对模型进行仿真，仿真结果如图6~图11所示。

图6是双端口天线在0.8~2.5 GHz频段上驻波比的变化曲线，其中虚线和实线分别表示前面(离匹配块近)和后面(离匹配块远)馈电端口的驻波比，由于两个馈电位置离匹配块的距离不一致，引起两个馈电端口的驻波比不能保持完全一致。从仿真结果看两个端口的驻波比都达到小于2的参数指标要求。端口之间的隔离度随频率变化的曲线如图7所示，两个端口的隔离度大于40 dB.

从图8~图10是几个典型频率点(0.8 GHz,1.5 GHz,2.5 GHz)的二维增益方向图，实线和虚线分别表示的是E面和H面方向图，方向图的主瓣较宽，没有出现栅瓣，整个频段内方向图保持很好的方向性，天线能量集中。

天线增益随着频率变化的曲线如图11 所示，在0.8~2.5 GHz整个频段内天线增益大于6 dB,并且随着

频率的升高而升高，满足参数要求，并且曲线图符合最优喇叭天线结构与增益的理论关系。设计的天线具有良好的辐射性能，高频段天线没有发生定向性偏离和增益下降的现象。

从优化仿真的结果可以看出，四脊喇叭天线在0.8~2.5 GHz整个频段内驻波比VSWR<2,双极化端口的隔离度dB(S(2,1))<-40 dB,满足设计指标要求，整个频段方向图保持很好的定向性。

3、结语

本文给出了一个宽带四脊圆锥喇叭天线的设计方法，采用化四脊圆锥喇叭为双脊喇叭的方法设计了初步模型和参数初值，仿真总结了四脊圆锥喇叭天线的主要参数变化对驻波比的影响，结构优化包括：波导段的台阶结构，脊终端的平顶结构，脊曲线的渐变结构等。优化后的结构很好的降低了天线的驻波比，提高了两个端口的一致性。利用电磁仿真软件HFSS对参数及结构进行仿真，仿真结果表明，本文设计的0.8~2.5 GHz四脊圆锥喇叭天线驻波比低、隔离度好、方向图好，可满足实际要求，对工程上设计此类天线具有一定的参考价值。