一種超寬帶雙脊喇叭天線的設(shè)計(jì)

一種超寬帶雙脊喇叭天線的設(shè)計(jì)

瞬態(tài)電磁的應(yīng)用帶超寬帶的喇嘛天線具有寬工作帶寬、良好的方向和穩(wěn)定的相平衡量。它在帶寬通信、擴(kuò)頻通信、雷達(dá)、兼容性等瞬態(tài)磁體領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文依據(jù)超寬帶喇叭天線的設(shè)計(jì)原理,利用電磁仿真軟件設(shè)計(jì)和仿真了一副頻率為2~20GHz寬帶的雙脊喇叭天線。1雙脊導(dǎo)電奇模斷線喇叭天線的結(jié)構(gòu)可分為波導(dǎo)段和喇叭段兩部分,如圖1所示。波導(dǎo)段分為直波導(dǎo)段和脊波導(dǎo)段。直波導(dǎo)的作用是濾除波導(dǎo)內(nèi)被激勵(lì)出來的TE20模,其長度應(yīng)小于最高工作頻率的半個(gè)波長;采用脊波導(dǎo)主要考慮加脊以降低主模傳輸?shù)慕刂诡l率。為了改善饋電段到喇叭段之間的匹配,需要把脊波導(dǎo)橫截面積尺寸逐漸加大,到喇叭口處面積最大,因而這部分結(jié)構(gòu)可以近似為加脊喇叭。喇叭段的長度應(yīng)大于最低工作波長的一半,這樣才能保證阻抗轉(zhuǎn)換過程中不激起高次模。喇叭口面的大小由天線脊曲線大小來確定。當(dāng)喇叭阻抗Z為如下形式時(shí),具有較好的效果:脊形狀是根據(jù)阻抗?jié)u變表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過對模型進(jìn)行多次調(diào)試,發(fā)現(xiàn)若給指數(shù)項(xiàng)再加上一次線性項(xiàng),可以起到擴(kuò)展頻帶的作用。即圖2為喇叭脊形狀曲線,其中b1為兩脊之間的間距,L為喇叭的長度。式(2)中,一般情況下A由兩脊之間的間距b1決定,即A=b1/2。系數(shù)k和C由兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)來確定。這里可以選取曲線的終點(diǎn)和中點(diǎn)坐標(biāo)。若把喇叭口面的阻抗看作空氣波阻抗,并把它作為喇叭的終端負(fù)載,喇叭本身作為饋源與負(fù)載之間的阻抗變換器,喇叭中的脊起阻抗匹配作用,所以在喇叭中點(diǎn)的阻抗可近似為雙脊波導(dǎo)截面圖如圖3所示,設(shè)雙脊波導(dǎo)的寬和高分別為a,b,脊的寬度以及脊間距分別為a1,b1。雙脊波導(dǎo)截面為z=0處的喇叭天線截面,雙脊波導(dǎo)奇模截止波長諧振方程式如下:插入到脊體腔內(nèi)的探針直徑選為已經(jīng)設(shè)計(jì)的尺寸大小(mm),為了和50Ω的同軸線匹配,脊體內(nèi)的空氣腔體直徑滿足同軸線特性阻抗Z1公式:式中,m、n為內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體直徑;εr為內(nèi)外導(dǎo)體間所填充介質(zhì)的相對介電常數(shù)。由于經(jīng)過了較長時(shí)間發(fā)展,喇叭天線有些部件已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)件,圖4所示為一標(biāo)準(zhǔn)同軸接頭(N型頭)。在喇叭天線優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)以這些標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化,這樣優(yōu)化出來的天線以后的加工成本最低。2天線參數(shù)的確定基于以上喇叭天線的理論分析,利用電磁仿真軟件CST,設(shè)計(jì)了如圖5所示的喇叭天線。首先,結(jié)合頻率2~20GHz帶寬要求,運(yùn)用式(5)~式(9)確定圖3所示的脊波導(dǎo)的尺寸為a=22.425mm,a1=6.2mm,b=14.2mm,b1=1mm;其次,根據(jù)喇叭長度大于最低工作波長的一半(2GHz對應(yīng)的工作波長約為150mm)和喇叭中點(diǎn)的阻抗為兩端阻抗的平均值要求,選取喇叭長度L=80mm,最后,結(jié)合饋電點(diǎn)雙脊間距b1和喇叭阻抗形式,確定近似的阻抗?jié)u變的脊形狀曲線喇叭口徑為91mm×64mm。同時(shí),直波導(dǎo)段長度小于最高工作頻率的半個(gè)波長(約7.5mm),這里選取波導(dǎo)長度為7.1mm,用50Ω同軸線饋電,N型接頭的內(nèi)芯直徑為0.63mm,絕緣外芯直徑為2.02mm。通過CST軟件仿真,得到2~20GHz頻帶內(nèi)駐波比曲線(如圖6)和增益曲線(如圖7)及低、中,高頻點(diǎn)的三維方向圖(圖8~圖10)。圖6顯示在2~20GHz頻段內(nèi),天線的駐波比小于2.2。圖7中天線在2~20GHz頻段內(nèi)增益基本上在13dB附近。圖8~圖10顯示,在不同頻點(diǎn)處天線具有較好的方向性。3雙脊身份生長分析在雙脊喇叭天線主體尺寸(脊波導(dǎo)截面、喇叭長度、脊曲線)不變的前提下,通過改變雙脊喇叭天線的各附加尺寸(脊寬度、口徑大小、饋電處脊間距離、后部腔體)變量(單位:mm),對其駐波比、增益變化曲線圖進(jìn)行分析。3.1中特性交流頻率的影響固定喇叭天線其他尺寸,僅改變脊寬a1大小,其駐波比和增益變化曲線如圖11、圖12所示。由圖11可知,隨脊寬度增加,2GHz附近匹配變好,中頻段匹配變差,高頻段匹配變好。產(chǎn)生原因是脊寬度變大導(dǎo)致脊波導(dǎo)低頻響應(yīng)變好,中頻段阻抗匹配變差,當(dāng)頻率增大至18~20GHz頻段,此時(shí)z=0附近處局部波導(dǎo)越來越符合該頻率下波長相比擬的特點(diǎn),即大于1/2波長,促使駐波比變好。由圖12可見,脊寬度變化對14GHz以上的高頻段增益有較大的影響,隨著脊寬度的增加,高頻部分輻射加強(qiáng),高頻等效喇叭口徑面越大,增益變大。主要原因是14~20GHz對應(yīng)的半波長為7.5~10.7mm,隨著脊寬度從6.65~8.65mm增加到14GHz以上頻率的半波長以內(nèi),或者可以比擬時(shí),相當(dāng)于輻射口徑面增大,因而實(shí)際有效增益變大。3.2雙脊身份孔徑小由圖13可知,口徑的變化對駐波比影響不大。圖14表明,口徑大小變化對增益影響比較大,而且在不同頻率段的影響效果不同。主要原因是這種設(shè)計(jì)的雙脊喇叭天線,口徑變化從0.8到1.2倍,對于低頻來說,有效輻射口徑實(shí)質(zhì)性增大,所以在2~6GHz頻段,增益增大;在18~20GHz頻段,口徑變化對z=0附近的結(jié)構(gòu)大小影響非常小,所以增益也圍繞著13dB附近變化;中頻段,口徑變大,會使方向圖逐漸產(chǎn)生旁瓣,方向圖分裂,所以增益急劇變差。3.3不同脊間距離對316gx范圍的影響由圖15可見,兩脊之間的距離b1對駐波比影響主要表現(xiàn)在中端3~16GHz范圍,距離越大,駐波比越小。產(chǎn)生原因是隨著脊間距離增加,容性越差,導(dǎo)致該頻段的阻抗匹配越好,駐波比變小。圖16顯示,兩脊之間的距離b1對喇叭的增益影響比較小。3.4不同結(jié)構(gòu)的改性分析圖17顯示,后部腔體對駐波比影響不大。由圖18可見,后部腔體對低頻段增益幾乎無影響,但對高頻增益部分影響較大。主要原因是當(dāng)后腔長度增加到和1/4波長可以比擬時(shí),增益變低。利用超寬帶喇叭天線的設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)的2~20GHz帶寬的雙脊喇叭天線,其在整個(gè)頻段內(nèi)駐波比都小于2.2,體積相對小,同時(shí)具有較高的增益和一致的方向圖。分析了喇叭天線不同部分尺寸對天線駐波比和增益的影響。結(jié)果表明:(1)隨著脊寬度變大,在低頻和高頻處天線匹配變好,而中頻段匹配變差;對增益的影響主要體現(xiàn)在高頻段;(2)口徑變大對駐波比影響不明顯,而對增益影響比較大,而且在不同頻率段的影響效果不同;(3)饋電處兩脊之間的距離對駐波比影響主要在中端3~16GHz范圍,脊距越大,駐波比越小,而增益變化不明顯;(4)后部腔體大小對駐波比的影響不大,對增益的影響體現(xiàn)在高頻段;綜合考慮以上結(jié)論,主體尺寸不變時(shí),當(dāng)附加尺寸中脊寬為8.65mm,口徑大小為0.8倍,饋電處脊距為1mm,后部腔體為3.6363mm時(shí),可以提高天線的性能。式(1)中,Z∞為頻率無限大時(shí)脊波導(dǎo)特性阻抗;L為喇叭的長度;k是常數(shù);z是喇叭長度變量。L值可由喇叭中點(diǎn)的阻抗作為兩端阻抗的平均值來確定。式(3)中,ZL/2為喇叭中點(diǎn)的阻抗值。脊波導(dǎo)的特性阻抗是脊波導(dǎo)的