基于HFSS的双脊喇叭天线的设计与仿真

引 言
   对喇叭天线而言，最常用的展宽频带的方法是在波导部分及喇叭张开部分加入脊形结构。虽然该天线已应用于某些工程实际中，但是此类天线在频率大于12 GHz时，增益下降，方向图主瓣出现分裂，并且随着频率的升高，主瓣凹陷得越来越厉害。这对方向图要求高的场合，如将天线用作主反射面馈源、EMC测试，已不能满足要求。针对这一问题，本文利用Ansoft公司推出的HFSS电磁仿真软件，通过做大量的仿真实验，设计了一幅频率范围为1～18GHz的宽带喇叭天线，它的增益在整个频段大于10 dB，方向图在15 GHz时，主瓣才开始出现分裂，并且随着频率的升高，直到18 GHz主瓣也没有出现大的凹陷，这样的结果比较理想，可以满足更高的工程要求。
   1 宽带双脊喇叭天线的设计
   基于电磁仿真软件HFSS，通过做大量的仿真实验，得到宽带双脊喇叭天线结构模型如图1所示，它由3部分组成：馈电部分，脊波导部分，喇叭张开部分。各部分的具体设计过程如下。
   
   
1.1 脊波导部分设计
   脊波导部分的横截面示意图如图2所示，波导的横截面尺寸为a×6，脊宽为a1，脊间距为b1，设计时主要依据脊波导理论。在设计时，首先确定b/a，b1/b，a1/a的值，然后参考文献[4]的曲线就可得λCE10/A匹，λCE30/a及频率为无穷大时TE10模的特性阻抗z0∞的值，通过式(1)算出在给定工作频率f下的特性阻抗以便于馈电段的设计：
   
   
为了改善馈电段到喇叭段的匹配，让它的横截面尺寸逐渐增大，所以这部分的整体结构设计成一个E面的扇形喇叭，再在两个窄壁面上加2个楔体以改善高频端的方向图。
   
   
1.2 馈电部分的设计
   馈电部分的结构示意图见图3，通常采用N型同轴接头馈电，同轴线的外导体连在波导的侧壁上，同轴线的内导体通过第一个脊的腔体，连到第二个脊上形成短路，内导体在波导腔内可看作一单极辐射器，由于普通波导的阻抗远大于同轴线的阻抗，因此内导体必须终止在远离波导壁的地方，以防止失配，而脊波导的阻抗与同轴线的阻抗相一致，所以同轴线的内导体必须接在相对的脊上以利于匹配。最后，再在脊波导的后端加一段直波导(长度应小于最高工作频率的半个波长)，作为滤除被激励出来的TE20模，因此脊波导的可用带宽应是λc10/λc30，而不是λc10/λc20.显而易见，单模工作带宽被大大的加宽了。
   
   
1.3 喇叭段的设计
   喇叭段的长度应大于最低工作频率波长的一半，这样才能保证阻抗转换过程中不激起高次模。喇叭的口面按照常规喇叭的设计方法，根据增益与口径面相差的要求来确定，因为场分布主要集中在两个脊的附近，所以考虑加工后实际喇叭的重量可以将两个窄壁面去掉，这样对低频端的方向图稍有影响，经过反复的调整，最后两个窄壁面采用介质板，并在其上均匀分布6条很窄的金属片，脊的形状根据阻抗匹配原则设计。为了使馈电点阻抗能够平滑的过渡到喇叭口自由空间阻抗，基于大量的实验发现，阻抗变换形式为如下所示，具有较好的效果
   
   
式中：l是喇叭段的长度，k是常数，它可由喇叭中点的阻抗为两端阻抗的平均值这样的条件来确定。因此脊结构的形状曲线一般也为指数形式，如式(6)所示。附加的线性项，可起到扩展低频带宽的作用。
   
   2 双脊喇叭天线的仿真
   按照上面双脊喇叭天线的设计方法，利用电磁仿真软件HFSS，此软件拥有强大的天线设计功能，设计了1副1～18 GHz的天线并加工成型，它的仿真结构如图1所示，其具体尺寸为：喇叭口面240 mm×139 mm，喇叭底面86 mm×67 mm，短路板截面26 mm×16 mm，喇叭的轴向长度152 mm，用50 Ω同轴线馈电，N型接头的芯线半径为0.65 mm，插入的腔体半径为1.5 mm，脊曲线方程为
   
   
为了分析所设计天线的方向图，增益及驻波比，本文不仅给出了电磁仿真软件HFSS的仿真结果，而且还给出了微波暗室的测量结果。为了对这两个结果进行比较，将电磁仿真软件HFSS得到的仿真数据和微波暗室得到的测量数据分别导入到MATLAB里面，通过MATLAB进行处理，得到了二者电性能特性的比较图。从图4可见，VSWR除了在低端1 GHz～1.6 GHz范围内较大外，其余工作点都小于2.5，满足实际的工程要求。要观看此天线的增益及方向性，由于频带太宽，测量和仿真得到的数据量太大，因此我们仅给出了不同频段上典型频率点的增益方向图。其中图5、图6为低频段中心频点的H面及E面增益方向图，由图可见增益很理想，H面及E面都大于13 dB，3 dB主瓣宽度较小，波束集中，随着频率的升高增益开始慢慢下降，波束变宽且趋于平坦，当到达整个频带的中心频点10 GHz时，由图7、图8可见，H面增益降为11.5 dB，E面略有下降，3 dB主瓣宽度都增大了，随着频率继续升高到达13 GHz时，由图9、图10可见，H面主瓣波束稍有波动，E面主瓣波束出现1 dB的凹陷，三维方向图仍是单一的主瓣。当f≥15 GHz后，E面及H面方向图都出现凹陷，三维方向图才开始出现分裂，如图11所示，随着频率的升高，直到18 GHz主瓣也没有出现大的凹陷，性能参数明显提高了，并且仿真的二维方向图与测量的二维方向图除了在两侧低副瓣区差异较大外(这主要是因为仿真和测量中馈电喇叭周围的空间环境不相同而造成的)，在主瓣区基本是吻合的。这说明所给出的设计方案是合理的，对天线的电性能特性利用电磁仿真软件HFSS的分析结果是有效的。
   
   
   
   
   
   
   3 结 论
   本文给出了一个宽带双脊喇叭天线的设计方法，并利用电磁仿真软件HFSS具体设计了一幅1 GHz～18 GHz宽带双脊喇叭天线。仿真及测量结果都较为理想，可满足更高的实际要求，对工程上设计此类天线具有一定的参考价值。