一种V波段喇叭天线的小型化设计方法

一种V波段喇叭天线的小型化设计方法

张仕钱  张秋红

贵州航天电子科技有限公司

摘要 本文介绍了一种V波段喇叭天线小型化的设计方法。采用角锥喇叭天线的方法，通过长边缩短，短边扩展的设计方式实现了相等指标下尺寸缩小27.2 % 且小于谐振波长，满足天线小型化的要求，不仅具备重量轻，成本低，还由于其口径尺寸小可实现易于共形的优点，在高频领域具有良好应用前景。

主题词 喇叭天线 小型化 定向辐射

1 引言

天线作为收发电磁信号的设备，是整个无线电雷达系统的关键组成部分，在实现整个系统的小型化和高分辨率，天线尤为关键。因此具有结构简单、体积小、剖面低、效率高的天线设计吸引了许多学者投身其中。此外，随着雷达系统的工作频率越来越高，比如毫米波、亚毫米波、太赫兹频段，所带来的波长短、损耗大等缺点给天线带来了严峻挑战。为解决上述问题，为实现喇叭天线小型化提出了径向小型化和轴向小型化两个路线。如通过在喇叭光壁上开波纹轮廓提高喇叭天线口径效率[1] [2]或在喇叭口内或口面上布置透镜校正球形相位波前，得到平面相位波以提高增益，利用这个原理可实现天线径向小型化。透镜形式较多[3] [4] [5]，包括介质透镜、空气介质透镜、金属透镜、超表面透镜等。在轴向，常以喇叭段和馈电段两方面实现小型化，通过曲线赋形[6]、增大喇叭张角、横纵槽结合实现喇叭段的小型化；通过选择合适激励或弯折波导的方式等实现馈电段的小型化。

本文从喇叭天线小型化和宽波束定向辐射出发，提出了一种小型化喇叭天线的设计方法，满足特定安装需求。采用标准波导馈电实现良好的阻抗匹配，对天线进行电磁仿真和实验测试，满足技术指标要求，实现了天线的小型化要求，适合于工程应用。

2喇叭天线基本理论

喇叭天线可视为张开的波导，其功能是在比波导更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性。喇叭天线是一种广泛应用的天线之一，因其结构简单，频带宽，功率容量大，且增益较高，广泛应用于其他天线的校准和增益测量的标准，作为大型射电天文学、卫星跟踪以及通信天线中馈源天线，除此之外还是相控阵常用单元天线。角锥喇叭是最简单、最常用的喇叭天线，结构如下图所示：

图1  喇叭天线结构示意图

图1中，角锥喇叭的标准馈电波导的宽和高分别为a和b，a1和b1分别为H面喇叭和E面喇叭的口径边长，喇叭口径在E面和H面的斜径。用和表示口径在E面和H面的半径，用Re和Rh表示喇叭上、下两个口径面之间的距离。

假设波导中只是单模传播，即TE10模式，则矩形喇叭的远场可以表示为：

         （1）

（2）

                       （3）

式中，

      （4）

        （5）

则角锥喇叭的增益可以表示为：

                   （6）

其中，表示角锥喇叭的口径效率，考虑最佳增益设计时，值约为0.5。

根据理论可以给出E面和H面扇形喇叭最佳方向性系数对应的a1和b1值，其中：

                     （7）

                     （8）

根据相似三角形关系，可以给出：

                      （9）

                     （10）

对于实际的喇叭以及工程考虑，有：

                      （11）

结合（7）到（11）式子可以得到：

                （12）

             （13）

把式（12）和式（13）代入式（6），得到：

  （14）

整理式（14）可得：

             （15）

在设计最佳增益的角锥喇叭天线时，一般已知天线增益G和矩形馈电波导尺寸a、b，只需确定喇叭天线的其余尺寸a1、b1和Re，从而获得符合指标的天线。

3小型化角锥喇叭天线的设计

天线主要技术指标要求如下：

（1）电压驻波比：≤2；

（2）方位面方向图在-30°~+30°范围内的增益：≥-3dB；

（3）俯仰面方向图在-30°~+30°范围内的增益：≥-3dB。

本文设计的喇叭天线能够在毫米波段实现定向辐射，基本结构如图2所示，根据工作频段，矩形馈电波导选用BJ620型矩形波导，即宽a为3.76 mm，高b为1.88 mm，厚h为3 mm。根据公式（12）、公式（13）和公式（15）计算得到各尺寸参数初始值，利用电磁仿真软件对各参数进行优化，得到满足指标的结构。

图2  喇叭天线示意图 （a）正面 （b）反面 （c）侧面

4小型化喇叭天线的电磁仿真

基于多物理场电磁仿真技术，对设计的喇叭天线进行结构优化和性能仿真。通过迭代优化得到天线的口径尺寸a1，b1皆为3.64 mm，喇叭上、下两个口径面之间的距离 mm。喇叭天线是由矩形波导按照特定的方式逐级展开而形成的，由于波导口面的逐级扩大，改善了波导与自由空间的匹配，使得反射系数变小，电压驻波比变小。喇叭天线电压驻波比的仿真结果如果3所示，在f0处的电压驻波比为1.26967。

图3 天线电压驻波比仿真结果

（a）E面方向图             （b）H面方向图

（c）三维增益方向图

图4  中心频率f0处喇叭天线的方向图仿真结果

馈电波导中的电磁波通过匹配腔体，沿着喇叭口辐射到空气中，比起传统角锥喇叭，本文天线大大缩小了整体高度，且口径尺寸较小易于共形。该天线在f0处的E面方向图和H面方向图如图4所示，E面方向图最大增益下降3dB的波束宽度为72.39°， H面方向图最大增益下降3dB的波束宽度为66.15°，满足设计要求。

5小型化喇叭天线的试验验证

根据喇叭天线的设计结果，加工了天线实物，如图6所示。喇叭天线的电压驻波比测试结果，在处电压驻波比为1.38；在微波暗室内进行了辐射方向图测试，测试结果如图8所示，E面方向图最大增益下降3dB的波束宽度为76.32°，H面方向图最大增益下降3dB的波束宽度为65.5°。综上，加工的喇叭天线形成较为理想的辐射方向图，满足指标要求。

（a）反面              （b）正面

图6 喇叭天线样机

（a）E面测试结果            （b）H面测试结果

    图7 喇叭天线方向图测试结果

6 结论

本文基于喇叭天线结构，提出并设计了一种V波段小型化喇叭天线，该天线实现了径向小型化，相比其谐振尺寸缩小27.2%，和宽波束定向辐射，并且输入端口采用标准波导馈电，获得了较好的阻抗匹配性能。仿真和测试结果表明，该天线能够满足在所需频段的使用要求，并且利用口径小、天线剖面低的特性易于实现共形。

参考文献

[1] 张荣蜀, 逯贵祯, 殷红成等. 低交叉极化波纹喇叭天线设计[J]. 中国传媒大学学报(自然科学版).北京：中国传媒大学出版社，2019

[2] 谢静,李建瀛,舒文娟. 基于螺纹槽结构的 90°波纹喇叭性能研究[J/OL]. 电波科学学报. 2020

[3]罗永愿，彭麟，廖欣. 加载介质透镜的高增益双脊喇叭天线设计[J]. 弹舰与制导学报.2022

[4] 翟昱套，颜坤，王毅. 非谐振单元加载的宽带超表面透镜天线设计[J]. 航天电子对抗.2021

[5] 马彬，吴雄斌，唐李光.基于惠更斯超表面的高增益透镜天线 [J].通信对抗.2021

[6] 王龙,窦文斌. 一种新型赋形喇叭的优化与设计[J]. 太赫兹科学与电子信息学报.2015

1