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。