宽带加脊喇叭天线电气性能的理论分析和仿真

宽带加脊喇叭天线电气性能的理论分析和仿真
刘栗;袁晴晴;张宇
【摘要】Ridged horn antenna is widely used in the domain of radar industry for its broadband properties in realizing the standing wave and radiation.The manner in the assemblage of the antenna will greatly affect the final electrical properties.The optimized way to adjust and assemble in the production of the antenna is applied based on the theory analysis and the simulation by the software Ansoft HFSS EM.%加脊喇叭天线作为宽带天线的一种重要形式在雷达工程上的应用已愈来愈广泛,并且它在宽频段上具有较好的驻波及辐射特性.然而,在加脊喇叭天线的制作过程中,各部件的成型、装配精度会对天线最终的整体电气性能产生较大的影响.对加脊喇叭天线的电气性能进行理论分析,并结合Ansoft HFSS EM软件仿真技术加以验证,为加脊喇叭天线的调试、装配提供理论依据.
【期刊名称】《系统仿真技术》
【年(卷),期】2017(013)004
【总页数】5页(P354-358)
【关键词】加脊喇叭天线;电气特性;驻波;电磁仿真
【作者】刘栗;袁晴晴;张宇
【作者单位】上海机电工程研究所,上海201109;上海机电工程研究所,上海201109;上海机电工程研究所,上海201109
【正文语种】中文
【中图分类】O441.4
随着电磁理论与天线技术的发展,当今的各种射频目标仿真系统、电子对抗系统、
电子侦察系统等对宽带天线的需求日益增多。

喇叭天线因其频带宽、增益高、方向性好等特性,在各领域得到充分应用和发展,通常作为独立的天线或馈源使用。

研究、开发、设计、制造在双频段、多频段、宽频带均具有优良性能的天线,一直以来都
是喇叭天线发展的核心课题。

普通的喇叭天线工作频率除了受传输波导的尺寸影响外,还受限于对喇叭的增益要求。

为了能使喇叭天线在宽频带下工作,需要对普通喇
叭加以改进,通常采用加脊的方式来提高其宽频带电气特性。

近来对加脊喇叭天线
分析的文章也有很多,但是在具体设计方面分析得很少,往往是按照参考文献进行结
构上的放大或缩小。

本文通过对整个加脊喇叭天线进行理论分析以及利用电磁软件进行仿真计算,讨论了各个结构环节因素对整个天线性能的影响。

喇叭天线是由波导终端逐渐张开而形成的一种口径天线[1-2]。

和传统的采用波导
作为天线的辐射器相比,喇叭天线的口径面从波导口径处向外逐渐变大,从而喇叭腔
体起到了阻抗渐进变化的作用,可以很好地改善辐射天线与自由空间的阻抗匹配关系,因此可以大大改善天线的辐射方向性,有效地提高天线增益[3]。

然而,喇叭天线是由波导开口段处逐渐张开而形成的,根据微波工程中的传输线和波导理论,无论是矩
形波导还是圆形波导,天线的主模传输频率范围都受波导尺寸的限制[4-6]。

通过求解波导的拉普拉斯方程,在已知电压应用边界条件下,使用分离变量理论[7],可以解得满足波导主模工作模式所需的结构要求。

对于宽边尺寸为a的矩形波导主模式
TE10单模传输,其工作波长λ必须满足a<λ<2a,圆形波导的单模TE11传输条件是2.62R<λ<3.41R[8](R为圆形波导半径)。

由此可见,上限频率(fup)和下限频率(flow)均小于2,带宽范围非常有限。

为了实现宽频带工作,可以采用在喇叭腔体内
加入脊片的方式[9],脊片在脊波导段间距相等,在喇叭段以一定的函数形式张开,以展宽喇叭天线的工作频带。

加脊喇叭天线在驻波方面的电气性能主要与喇叭馈电输入段、传输段的电磁场反射有关。

馈电部分的结构示意图如图1所示。

通常采用N型同轴接头馈电,同轴馈线的外导体连在波导的侧壁上,同轴馈线的内导体通过第1个脊的腔体,连到第2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
同轴馈线的阻抗,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馈线的阻抗相一致,所以同轴馈线的内导体必须接在相对应的脊上以利
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),以滤除被激励出来的高阶模。

显而易见,单模工作带宽被大大地加宽了。

在加脊喇叭天线的实际装配过程中,包括4个脊片以及同轴馈线在内的各个部件是否能够按照设计的结构要求进行匹配与契合,将对加脊喇叭天线的端口驻波比、隔
离度等整体性能带来较大的影响。

例如,4个脊片在装配中有可能在轴向上会有一
定角度的偏转(见图2),由于脊片的偏转,端口的同轴馈线和脊片内腔体的阻抗在匹配上会带来失衡,从而增大电磁反射,提高驻波比。

脊片偏转同样使得两脊间距发生变化,而脊间电容值的改变会影响到加脊喇叭天线的主模截止频率。

同时,由于脊片的
偏转使得电场矢量E也发生一定角度的转向,这样电场矢量E在横向和纵向上都会
有投影分量,也就意味着由横向同轴馈线激励产生的电场会耦合到纵向馈源上,使得
加脊喇叭天线2个端口间的隔离度提升,即两端口的隔离度受到影响。

通过以上的理论分析可以知道,在喇叭天线上使用加入脊片的技术之后,喇叭天线的
电气性能可以在频段上得到极大拓展。

喇叭天线馈电输入段、传输段的阻抗特性在良好的匹配条件下,可以提高喇叭天线的驻波特性。

喇叭天线4个脊片之间的垂直
度以及脊片与同轴馈线之间的平行度则会对天线的驻波特性和隔离度特性带来影响。

通过三维电磁仿真软件Ansoft HFSS EM对加脊喇叭天线进行电磁场仿真,进一步
分析和验证加脊喇叭天线的电气性能。

仿真模型如图3所示。

加脊喇叭天线馈电端口处的阻抗曲线在馈电脊片不发生偏转和发生3°偏转时的对比数据如图4所示。

喇叭天线的馈电端口使用的是50 Ω的SMA(subminiature version A)同轴馈线,可以看到馈电脊片在没有发生偏转的情况下,阻抗曲线在宽频带内都保持在50 Ω附近。

这就说明通过对喇叭天线进行加脊片的设计处理,使得天线端口的阻抗值在较宽的频率范围内和同轴馈线有较好的阻抗匹配。

因此,加脊喇叭天线端口的驻波比都能达到非常合适的值。

图5是加脊喇叭天线端口驻波比的仿真曲线,驻波比(SWR)在1.2左右。

在实际的天线制作与装配过程中,与同轴馈线所对应的脊片会出现一定角度的偏转,不能与馈电探针保持绝对的平行状态,因此在上一步仿真计算的基础上,将馈电端口一端的脊片进行一定角度的偏转,进行进一步的仿真计算。

由于脊片存在相对于馈电探针角度上的偏转,因此探针在通过脊片内腔体时,无法实现良好的阻抗匹配,阻抗值在带宽范围内有较大的幅值变化。

从图5中的驻波比数据可以明显看出,脊片出现3°的偏转后,驻波比明显变大,因此第1个脊片的偏转会对喇叭天线的驻波性能带来明显的影响。

距馈电端口较远的第2个脊片在发生偏转时,由于内腔体内所包含的探针部分很小,并且与探针形成短路关系,因此对于天线端口驻波性能的影响远小于第1个脊片。

图6和7显示的是加脊喇叭天线第2个脊片偏转3°时与没有偏转情况下馈电端口阻抗和驻波比的仿真曲线。

从图中可以看出,第2个脊片偏转后,端口的阻抗值变化很小,因此驻波特性基本没有什么变化。

天线2个端口间的隔离度性能则会由于任意一路馈电端口处脊片的偏转产生巨大的变化。

图8为加脊喇叭天线2个端口间的隔离度曲线,对于两端口脊片互相正交的情况,端口间的隔离度可以达到小于-26 dB的良好性能。

只要有1个脊片发生一定角度上的偏转,天线端口的隔离度会急剧恶化。

从图8可以看到,隔离度处于-15
dB左右,无法满足天线的使用要求。

通过Ansoft HFSS EM软件对加脊喇叭天线进行仿真后可得,加脊喇叭天线4个脊片之间的相对位置关系会对天线最终的电气特性带来较大的影响,并且同轴馈电探
针的2个脊片的位置情况对结果的影响更大。

即使脊片只偏转3°也会使加脊喇叭
天线的驻波比明显增大。

对于加脊喇叭天线的隔离度特性,任意一对脊片的偏转都
会急剧降低天线的隔离度。

加脊喇叭天线是在喇叭天线的基础上通过加入脊片改变天线的结构来提升电气性能。

对加脊喇叭天线进行理论分析和采用电磁场软件进行仿真计算,分析喇叭天线结构
特征对电气性能所带来的改变,在天线的制作过程中为天线的调试、装配提供了一
定的理论依据。

喇叭天线在使用加入脊片的技术后,电气性能的频带得到了拓展,可以实现宽频带特性。

通过调整加脊喇叭天线馈电输入段与第1个脊片的阻抗匹配,可以提高天线的
驻波特性。

调整天线4个脊片的垂直度可以进一步降低驻波比,并且提高天线的隔
离度。

在完成了天线的装配之后,如果天线的电气特性存在指标上的问题,则可以参照已得
出的理论和仿真分析对天线的装配结构进行相应的局部调整,使得天线的电气指标
得到提升。

刘栗男(1983—),上海宝山人,工程师,硕士,主要研究方向为制导仿真。

袁晴晴女(1985—),江苏徐州人,工程师,硕士,主要研究方向为制导仿真。

【相关文献】
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