一个宽带双脊喇叭天线的设计方法
2~18GHz超宽带双脊喇叭天线的设计与实现
第34卷第5期2020年10月空军预警学院学报Journal of Air Force Early Warning AcademyV ol.34No.5Oct.2020收稿日期：2020-09-02作者简介：张丰(1994-)，男，硕士，主要从事电工与电子技术研究．2~18GHz 超宽带双脊喇叭天线的设计与实现张丰，张显才，张小涵，翟际遥（空军预警学院，武汉430019）摘要：为满足电磁兼容测试系统中对天线具有超宽带特性的需求，设计并实现了一种2~18GHz 超宽带双脊喇叭天线．通过在后腔双脊末端处采用二阶阶梯式反射腔结构和增加E 面对称锲体及凸台的方式，改善了结构的不连续性并集中了双脊间的电流密度．仿真及实测结果表明，该设计有效提升了双脊喇叭天线的带内驻波特性，驻波比典型值为1.6，最大值为1.9；能够保持稳定的辐射性能，方向图无明显裂瓣现象，具有较高的工程应用价值．关键词：双脊喇叭天线；电磁兼容；超宽带；后腔结构中图分类号：TN82文献标识码：A文章编号：2095-5839(2020)05-0382-05宽带天线是电磁兼容系统中的重要器件，由于电磁兼容测试所需的频带较宽，低至几十兆赫兹，高至几十吉赫兹，可根据工作频段的不同选择合适类型的测试天线．常用的电磁兼容测试天线有双锥天线[1]、对数周期天线[2]、双脊喇叭天线[3-8]等．其中双脊喇叭天线因具有超宽带、稳定的增益和较高的承受功率等特性而备受关注，但是通常在超宽频带范围内难以同时兼顾良好的驻波特性和辐射特性，需要权衡各项性能指标才能达到设计要求．同轴脊波导转换结构是设计的重点，直接影响着双脊喇叭天线驻波性能和辐射性能的好坏[7]．对此结构研究，文献[3-4]采用了传统的后腔结构，所设计的2款天线带宽分别为3个倍频和4个倍频，虽然结构简单，但难以满足超宽带的需求．文献[5]在此基础上加以改进，通过在后腔短路板加置一个十字凸块结构，拓展了阻抗带宽并兼具了稳定的方向性，但是低频驻波依旧不理想，最大值为2.5．文献[6]所设计的天线进一步兼顾了驻波特性和辐射特性，对脊靠近馈电方向末端采用一阶台阶状结构并进行切削处理，但是对喇叭段脊曲线的形式也做了较大的改动．文献[7]采用两段不同阻抗的同轴线级联的方式，极大改善了脊波导段的阻抗匹配问题，降低回波损耗的同时保证了增益的稳定性，但考虑实际装配问题，该方式并不适用于2~18GHz 这种体积较小的双脊喇叭天线．基于此，本文以后腔结构作为设计的重点，通过在双脊末端处采用二阶阶梯式反射腔结构以及增加E 面对称锲体和凸台的方式，设计并实现了一种工作在2~18GHz 频段超宽带双脊喇叭天线．仿真和实测结果表明，驻波比典型值为1.6，最大值为1.9，且全频段内方向图无裂瓣现象，解决了驻波比和增益值难以在超宽频带内同时满足设计要求的问题，可广泛应用于电磁兼容测试系统中．1双脊喇叭天线的结构设计超宽带双脊喇叭天线可以实现几个甚至十几个倍频程的工作频带，其主要结构可分为2个部分：同轴脊波导转换器(由脊波导、后腔结构与馈电结构组成)、喇叭段．图1为双脊喇叭天线的E 面横截面示意图．图1双脊喇叭天线E 面横截面示意图通过馈电结构将产生的横电磁波(TEM)波型输送到波导段，然后经后腔结构将此波型转换为脊波导中的TE 波型，最后沿着喇叭段的双脊结构辐射到自由空间，完成电磁波的发射或接收．但是其在转换过程中常常会因为结构的突变引起TE 20、TE 30等高次模的产生，对工作带宽和增益会有很大的影响．因此后腔结构是双脊喇叭天线的核心，也是整个天线的驻波比和增益DOI:10.3969/j.issn.2095-5839.2020.05.015第5期张丰，等：2~18GHz 超宽带双脊喇叭天线的设计与实现383在超宽频带范围内保持稳定的关键．1.1同轴脊波导转换器结构1)馈电结构与脊波导段馈电结构采用传统的一段SMA-50Ω同轴线馈电，内径d 11=1.2mm ，外径D 11=4mm ，位于脊波导宽边中心，馈电点距离后腔末端的长度大约为中心工作频率对应波长的四分之一．设脊波导的宽边长为a 1，脊宽为a 2，双脊波导的高为b 1，脊间距为2b 2，双脊波导的横截面示意图如图2所示．设计时，最重要的是在b 1/a 1一定(本文选择b 1/a 1=0.5作为仿真初始值)的情况下，确定参数b 2/b 1和a 2/a 1的值．因为这2个参数决定着脊波导的特性阻抗和主模截止频率．设脊波导的主模截止波长为λc0，矩形波导主模截止波长为λc ，图3为脊波导频率趋于无穷大时特性阻抗与λc0/λc 随b 2/b 1和a 2/a 1变化的曲线(其中40 Ω、50 Ω和60 Ω分别为脊波导特性阻抗的大小)．图2双脊波导横截面示意图０１１２２３３４４５ａ２／ａ１图3特性阻抗与λc0/λc 随b 2/b 1和a 2/a 1变化曲线为使脊波导特性阻抗尽量与SMA-50Ω同轴馈电结构相匹配，选用a 2/a 1=0.2且b 2/b 1=0.04(见图3中点N ）作为理论初始值．此时，λc0/λc 约为3.7，且λc =2a 1[9]，则λc0=7.4a 1．由于设计的喇叭天线主模截止频率为2GHz ，考虑余量，可选取1.5GHz 作为主模截止频率，由此通过脊波导理论[9]可计算出脊波导的a 1、a 2、b 1和2b 2的值．2)后腔段通常将脊波导中双脊结构的末端进行切割处理，形成台阶状结构，使其脊间距变大，来提高电磁波单向传输能力．但由于脊末端结构的突变导致脊波导特性阻抗无法有效匹配，激励起高次模，产生混合波型共同传输的现象，影响了传输效率．本文通过采用二阶台阶状结构，能够有效增加脊末端结构处阻抗过渡的平滑性，确保了电磁波的单模传输性，降低回波损耗，展宽带宽．图4为改进前后的双脊末端结构示意图．Ｙ１Ｙ２Ｚ１Ｚ２(a)改进前(b)改进后图4改进前后的双脊末端结构示意图对后腔侧壁结构，文献[7]将后腔内的E 面锲体去掉后，虽然整体来看对天线的驻波特性影响不大，但确实对高频处的电性能产生了负面影响，这正是由于后腔结构的突变所引起的．这种负面影响对于工作在1GHz 以上的喇叭天线更为明显，因此设计时在后腔结构的E 面侧壁中恢复了去掉的2个对称锲体．图5是后腔结构电场强度分布，图6是后腔结构侧壁改进结构示意图，图7是矩形凸台增加前后的双脊间电流强度分布．电磁波传输时在后腔侧壁与后壁的中心位置处的电场强度较强(见图5)，通过在这些位置处分别增加一个经过削去棱角的矩形凸台(见图5后腔结构电场强度分布凸台对称锲体图6后腔结构侧壁改进结构示意图(a)增加前(b)增加后图7矩形凸台增加前后的双脊间电流强度分布空军预警学院学报2020年384图6)，可以更好地集中双脊间的电流密度(见图7)，实现稳定的辐射性能[8]．1.2喇叭段结构喇叭段主要实现从双脊波导到自由空间处阻抗过渡的功能，其阻抗过渡的平滑性将直接影响着天线的回波损耗以及其他性能[7]．为使阻抗过渡的平滑性好，喇叭段阻抗Z 满足：Z ={Z 0¥e kz377+Z0¥(1-ek (l -z ))0£z £l /2l /2<z £l(1)式中，Z 0¥为频率无穷大时矩形波导的特性阻抗，k 为常数，z 为喇叭长度变量，l 为喇叭段长度．由此可通过喇叭段的中点坐标、终点坐标和脊间距计算出喇叭段的脊曲线函数为y =0.65e 0.044x +0.01x(2)喇叭段E 面的2个侧壁采用相对介电常数εr 为4.4、厚度为1.6mm 的介质基板代替，并在每个侧壁的内侧各蚀刻上7根宽度相同的等间距金属条，既可以改善高频方向图[10]，也易于装配，只需要用螺钉将介质基板固定在喇叭段的E 面两侧，可减少装配过程中引起的误差．2仿真结果及分析根据所设计的结构并结合各部分的尺寸大小，可通过高频结构仿真器(HFSS)软件得到如图8所示的仿真模型．经过参数优化，最终得到的2~18GHz 双脊喇叭天线结构尺寸值如表1所示，后腔结构改进前后驻波比和增益仿真结果如图9所示．Ｌ１Ｌ２图82~18GHz 双脊喇叭天线仿真模型由图9可知，后腔结构改进后，带内驻波比的最大值为1.7，典型值为1.6，有效提高了天线驻波特性，降低了回波损耗；增益仿真结果则表明了在2~18GHz 频带范围内整体保持平稳上升趋势，相邻频点的增益波动幅度不超过1dB ，未出现较大的凹陷现象，具有良好的辐射特性．其中当双脊末端的结构改为二阶台阶状后，主要改善了天线高频处的驻波特性，典型值为1.60，最大值为2.05，同时提升了16~18GHz 处的增益值，但14GHz 处的回波损耗依旧较大，且在12GHz 处的增益有明显的凹陷现象，未达到设计要求．进一步通过增加后腔侧壁E 面的对称锲体的方式保证了带内驻波比的稳定性，最大值降为了1.7，同时在后腔部分场强较大的位置增加了凸台，平稳了增益在12GHz 处较大的波动幅度．在提高双脊末端和后腔侧壁结构处阻抗过渡的平滑性后，本文设计抑制了电磁波在传输时激发的高次模，较好改善了驻波特性，同时克服了由于喇叭天线口径的相位差在高频段变大所导致的增益下降问题，证明了设计方案的优越性．１１１１１２２２驻波比频率／ＧＨｚ(a)驻波比增益／ｄＢ频率／ＧＨｚ(b)增益图9后腔结构改进前后驻波比和增益仿真结果3实测结果分析由图8仿真模型并结合实际，可通过Solid-works 软件得到实物模型，而天线的喇叭段侧壁是由相对介电常数为4.4、厚度为1.6mm 的介质基板并蚀刻7根等间距的金属条构成的，所以这部分结构可通过Altium Designer 进行设计．最终得到的2~18GHz 双脊喇叭天线实物如图10所示．图102~18GHz 双脊喇叭天线实物3.1驻波比的实测结果分析将加工好的实物天线经稳相同轴电缆连接第5期张丰，等：2~18GHz 超宽带双脊喇叭天线的设计与实现385在矢网仪上，并进行校准，最终得到的实测结果以及与仿真结果的对比如图11所示．(a)驻波比实测结果１１１１１２驻波比频率／ＧＨｚ(b)驻波比仿真与实测结果图11驻波比仿真与实测结果比较由图11可知，最终的实测结果与仿真结果基本吻合，驻波比均在2以下，最大值为1.9，符合设计要求．但整体来看最终的实测驻波比与仿真结果相比依然偏高，具体原因分析如下：①2~18GHz 喇叭天线在同轴脊波导转换结构处相对来说较为复杂，该处的零部件均由螺钉固定而成，且波导段内部空间较小，容易造成装配或加工上的误差，因此影响了实测驻波比的性能．②由于实验条件的限制，在测量2~18GHz 喇叭天线时未能在环境相对理想的微波暗室中进行，而是在场地相对开阔的实验室进行测量，试验时辐射出的部分电磁波受到障碍物或墙壁的遮挡而反射回输入端导致驻波比的恶化．3.2方向图实测结果分析由于实验室没有合适的2~18GHz 标准增益的喇叭天线，未能对其增益进行测量，而方向图则可侧面反映出天线的增益特性，可由每个频点对应的0°方向图来表征．将待测天线与辅助发射天线通过低损线缆分别连接至矢网仪的端口1与端口2，然后通过转台控制器来控制待测天线的旋转角度并记录下此时的S 12参数，再改变收发天线的极化方式继续测量．由于超宽带天线容易在12GHz 以上时增益特性急剧下降，表现在方向图中会出现明显的波瓣分裂现象，因此对天线在12GHz 、15GHz 以及18GHz 处的E 面和H 面方向图进行了实测，实测与仿真结果的对比如图12和图13所示．由图12和图13的3个频点方向图的实测与仿真结果可知，其0°位置处均能保持较好的方向性，并未出现因增益下降而导致的主瓣分裂现象，能够有效地起到聚束作用，也侧面证明了增２４０２７０３００-４０-２００-４０-２００归一化增益／ｄＢ２１０１８０１５０１２０９０６０３００３３０２４０２７０３００２１０１８０１５０１２０９０６０３００３３０-４０-２００-４０-２００归一化增益／ｄＢ２４０２７０３００２１０１８０１５０１２０９０６０３００３３０-４０-２００-４０-２００归一化增益／ｄＢ仿真结果实测结果仿真结果实测结果仿真结果实测结果(a)12GHz 方向图(b)15GHz 方向图(c)18GHz 方向图图122~18GHz 喇叭天线各频点E 面方向图实测与仿真结果２４０２７０３００２１０１８０１５０１２０９０６０３００３３０２７０１８０９００２７０１８０９００-４０-２００-４０-２００归一化增益／ｄＢ３００６０１２０１５０２１０３３０３０２４０-４０-２００-４０-２００归一化增益／ｄＢ６０３０３３０３００２４０２１０１５０１２０-４０-２００-４０-２００归一化增益／ｄＢ仿真结果实测结果仿真结果实测结果仿真结果实测结果(a)12GHz 方向图(b)15GHz 方向图(c)18GHz 方向图图132~18GHz 喇叭天线各频点H 面方向图实测与仿真结果益在设计频段内均可保持平稳的优良特性．4结论1)基于HFSS 仿真软件，设计了一种2~18GHz的超宽带双脊喇叭天线．通过对后腔结构双脊末端和后腔侧壁结构的改进提高了阻抗过渡的平滑性，增强了双脊间的电流密度，保证了驻波比和增益在设计频带范围内的稳定．2)仿真结果表明，本文设计天线的驻波比在全频带内典型值为1.6，最大值为1.7，相比其他空军预警学院学报2020年386工作在同频段的天线来说其驻波性能更为优越，同时保证了增益在全频段内的稳定性，波动幅度不超过1dB ．3)实测结果表明，本文设计天线的驻波比典型值为1.6，最大值为1.9，由于实际加工误差等原因相较仿真结果偏高，但依旧符合设计要求；方向图在12GHz 以上的高频段并未出现裂瓣现象．这说明本文设计加工出的天线克服了驻波特性与增益特性之间的制约作用，在保持高效传输电磁能量的同时，也有效提升了自身的方向性，满足设计要求，可广泛应用于电磁兼容领域的辐射发射测量系统中．参考文献：[1]张文婷,陈星.3D 打印的小型化超宽带盘锥天线[J].电子元件与材料,2020,39(1):48-51.[2]程阳,陈星.一种仰角可调的变形对数周期天线[J].太赫兹科学与电子信息学报,2020,18(3):409-413.[3]翁呈祥,高玉良,许明,等.超宽带双脊喇叭天线的设计[J].压电与声光,2011,33(2):336-338.[4]赵嘉斐,王学田,王伟.宽带双脊喇叭天线的仿真与设计[J].微波学报,2014,30(S1):264-266.[5]胡南.0.8～18GHz 超宽带双脊喇叭天线的设计与实现[C]//2017年全国天线年会论文集:上册.中国电子学会天线分会,2017:79-81.[6]岳震震.宽频带加脊喇叭天线设计[D].西安:西安电子科技大学,2017:26-28.[7]张丰,王敏,于丽丽,等.0.2~2.5GHz 改进型超宽带双脊喇叭天线的设计与实现[J].电子测量技术,2018,41(20):68-72.[8]师阿元.高增益超宽带双脊喇叭天线[D].西安:西安电子科技大学,2017:28-34.[9]邵玉.脊波导和矩形波导传输特性分析[D].合肥:合肥工业大学,2017:26-32.[10]林昌禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社,2002:402-409.Design and implementation of 2-18GHz UWB double-ridged horn antennaZHANG Feng,ZHANG Xiancai,ZHANG Xiaohan,ZHAI Jiyao(Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China)Abstract ：In order to meet the requirements of the antenna with ultra-wideband (UWB)characteristics in the electromagnetic compatibility test system,this paper designs and implements a 2-18GHz UWB double-ridged horn antenna.By adopting a second-stage stepped reflection cavity structure at the end of the double ridges of the posterior cavity and adding E-plane symmetric wedge bodies and lug bosses,the discontinuity of the structure is improved and the current density between the double ridges is concentrated.The results of simulation and actual measurement show that this design effectively improves the in-band standing wave property of double-ridged horn antenna,with the typical standing wave ratio of 1.6and the maximum value of 1.9,able to maintain stable radia-tion performance,the pattern having no obvious split lobes.The proposed method has high engineering applica-tions value.Key words ：double-ridged horn antenna ；electromagnetic compatibility ；ultra wideband ；structure of posteri-orcavity关于论文学术不端检测的声明学术不端行为是指在学术研究过程中出现的违背科学共同体行为规范、弄虚作假、抄袭剽窃或其他违背公共行为准则的行为．论文学术不端类型主要有剽窃、伪造、篡改、不当署名、一稿多投、重复发表等表现形式，其界定标准依照CY/T 174—2019《学术出版规范期刊学术不端行为界定》执行．目前，为了净化学术环境，防止学术不端行为，《学报》利用中国期刊全文数据库(中国知网)、中国核心期刊(遴选)数据库(万方数据)等数字出版平台提供的学术不端检测系统对投稿和录用论文分别进行检测．对复制比检测超标的论文，一律退稿．若有一稿多投，《学报》3年内不接收该作者的任何稿件．《空军预警学院学报》编辑部。
0.2～2+GHz宽带双脊喇叭天线的设计
! !""# 年第 ! 期
研究与开发
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图 "! 驻波比计算和实测结果对比
图 1! %.. /() 时 ( 面方向图
图 #! 增益计算和实测结果对比
相比变得更窄， 这和增益的对比结果一致。图 $% 和 图 $& 是 % ’() 时天线的方向图， 虽然实测和仿真的 结果有一定的差异， 但都表达出同样一个信息： 波瓣 分裂。实测中波瓣分裂非常严重， 这也是实测增益 在高频时急剧下降的原因。在电磁兼容性测试中， 波瓣的分裂应当引起重视， 会带来测量结果的偏差。 对于 本 设 计 中 的 双 脊 喇 叭 天 线， 当 频 率 高 于 $* # ’() 时出现波瓣分裂现象， 应慎重使用。对于市售 的 $ + $, ’() 双脊喇叭天线， 在 $% + $# ’() 左右也
［ $］ ， 或者更小一点。至此就 ,-." 模对应波长的一半
。
矩形双脊波导的结构如图 $ 所示。其中 ! 和 " 为波导的宽和高， # 为脊的宽度， $ 为两个脊之间的 距离。
得到了双脊喇叭的基本设计参数， 据此建立仿真模 型。通过不断的微调 ’、 (、 + 的值得到不同的脊曲 线， 再调整馈电点到短路面的距离， 得到不同的仿真 模型， 从中选择综合性能 （ 2345、 增益、 方向图等） 最好的仿真结果作为最后的设计尺寸。
图 "+! * &’( 时 ’ 面方向图 图 "#! "$ % &’( 时 ) 面方向图
,! 结! 论
利用仿真并按此制造的双脊喇叭天线， 在 #$ * - * &’( 的频率范围内能保证驻波比 ./01 "*$ % 。 它的增益不很高， 意味着它的波瓣宽度不会很窄， 尤 其是在高频段部分。这对电磁兼容性测试在一定程 度上来说是有利的， 以满足电磁兼容性测试对照射 面的口径要求。 参考文献：
用FIT方法设计的宽频带双脊圆喇叭天线
摘
要
交流电源供电设备接受浪涌抗扰度试验时， 应选择同步 方 式 和 施 加 浪 涌 脉 冲 的 相 位 角 0 在 三 相 交 流 电 源 供 浪涌抗扰度 交流电源 相位
电的情况下更应如此。 关键词
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宽带加脊喇叭天线的简化设计
现代雷达
Vol. 26 No. 5
Modern Radar
May , 2004
65
宽带加脊喇叭天线的简化设计 Ξ
邵余峰
(南京电子技术研究所 南京 210013)
【摘要】 加脊喇叭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 。文中结合 Ansoft HFSS EM 软 件仿真技术 ,给出了一种宽带加脊喇叭的简化设计方法 ,把加脊喇叭天线的设计分解成简单的 3 个部分来进行 ,即同轴脊 波导变换部分 、喇叭部分 、脊曲线的求解部分 。该方法简化了脊曲线的求解 ,避免了繁杂的数学计算过程 ,运用 Ansoft 电 磁场仿真软件进行优化得到较理想的结果 。实测结果表明 ,这种天线在三倍频程的带宽内匹配良好 。
脊曲线的求解是脊喇叭设计的关键部分 ,它是一 个指数曲线如图 3 所示 (图中 b2 为 0. 5 倍的脊间距 、 D 为喇叭口径 、L 为喇叭的轴长) ,其数学形式为
y ( x ) = A ekx + C ·x
(4)
图 3 脊曲线的座标
喇叭口面的波阻抗严格分析应从波模理论出发 , 即喇叭的导行波可分解成各次波模 ,自由空间的球面
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第5期
邵余峰 :宽带加脊喇叭天线的简化设计
67
图 5 圆锥加脊喇叭实测驻波曲线
图 6 用 Ansoft HFSS EM 仿真的驻波曲线
图 7 Ansoft HF26 卷
联立式 (1) ～式 (3) 即可求得截止频率 λc ,式中各参数 如图 2 所示 ,其中 x = b2/ b1 ; Cd 是关于 b2/ b1 的一 个不连续性电容的函数 ;ε是传播媒质的介电常数 ,在 自由空间等于 8. 852 ×10 - 12 F/ m 。
1~5 GHz超宽带双脊喇叭天线的设计
电子技术Electronic Technology电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering1 引言由于宽带喇叭天线结构简单，方向性好，相位中心稳定，在通信、雷达、电磁兼容和电子对抗等领域得到广泛应用，在微波测量系统中被大量的用作标准测量天线。
本文根据宽带波导理论设计了一种频率范围为1GHz~5GHz的超宽带加脊喇叭天线，测试结果可见全频段内驻波比最大值为2.8，对1.18G、1.33G、2.9G、4.3G等四个频点进行方向图测试，均具有良好的增益曲线平坦度，测试频点最小增益为4.53dBi，且全频段内方向图均未分裂。
2 喇叭天线的设计图1为加脊喇叭天线的结构示意图，天线由激励段、脊波导段、加脊喇叭段组成。
本设计中天线的工作频率范围为 1GHz~5GHz，要求喇叭部分截止频率应低于1GHz，且在上述频率范围内膜传输[1]。
双脊喇叭天线设计中，优化脊波导部分尺寸，可改善馈电端到喇叭口径之间的阻抗匹配。
在双脊波导[2]的设计中，波导截面如图2所示，长边和短边分别为a，b，脊宽和脊间距分别为a1，b1。
其中，脊波导的截止频率为：（1）脊波导的截止波长为：（2）脊波导的特征阻抗为：（3）其中，式（3）中的λc 为脊波导截止波长，λ0为自由空间波长，Z∞为λ趋于零时脊波导的等效阻抗。
由于脊棱边缘电容效应，如式（1）和（2）所示，脊波导主模TE10模的截止频率比矩形波导TE10模的截止频率低，而其TE20模的截止频率比矩形波导的TE20模的截止频率高。
因此，脊波导单模工作的频率很宽。
同时因其等效阻抗很低，脊波导一般用来做阻抗变换的过渡结构。
由上，由截止频率λc 得到a1、b1的初始数据，利用AnsoftHFSS电磁仿真软件建立最初三维仿真模型,对 a1、b1尺寸进行优化,得到λc 所对应的a1、b1精确值。
从同轴馈电端到短路面间的脊波导部分为短路段部分, 该部分对于展宽变换的带宽有着很大作用。
宽带双脊喇叭天线的设计与分析
作爿 筒介 。 Ｉ ｜ 张
设 计 方 面 的研 究 。
青 （９５ ， ， １ ８ 一） 男 助理 工程师 ， 主要从 事天线
ห้องสมุดไป่ตู้
５ Ｏ
制 导 与 引 信
第 ３ 卷 ２
抗 的 同轴线 、 微带 线 之 间的过 渡连 接装 置 。 本 文结 合 Ａｎ ｏｔＨＦ Ｓ电磁 仿 真 软 件 给 出 ｓｆ Ｓ 了一种 宽带 加脊 喇 叭 的设 计 方 法 ， 天 线设 计 难 该 点在 于频 率 涉及 到 Ｘ Ｋｕ Ｋ 三个 频 带 ， 真 结 果 ／ ／ 仿 表 明天线 在 （ ０ Ｏ １ ～２ ）ＧＨｚ 带宽 内 匹配 良好 。 的
Ｋｅ ｒ ：ｒ ｄ ｒａ ｅ ｙ ｗｏ ｄｓ ａ ａ ｎｔ ｎｎａ；ｈｏ ｎ ａ ｅ ｒ ｎｔ ｎｎａ；ｒｄｇ ｕ ｖｅ ｉ ｅｃ ｒ
性 和增 益 、 后 向辐射 等优 点 ， 雷达 工程 领域 的 无 在
０
引言
宽 带 天 线 的 发 展 已 有 几 十 年 的 历 史 ， 内外 国
Ａｎ ｏｔ ｓ ｆ 电磁 场 仿真 软件 进行 优化 ， 到 较 理 想 的结 果 。 实测 结 果 表 明 ， 种 天 线在 （ Ｏ ２ ） 得 这 １ ～ Ｏ
ＧＨｚ的带 宽 内匹配 良好 。 关键 词 ：雷达 天线 ； 叭 天线 ；脊 曲线 喇 中 图分类 号 ： ＴＮ８ ２ ８ ２ ． 文献标 识码 ： Ａ
第３ ２卷
第 ４期
制 导 与 引 信
ＧＵ Ｉ ＤＡＮＣＥ ＆ Ｆ Ｚ Ｕ Ｅ
Ｖｏ． Ｏ １ ３２ Ｎ ．４
Ｄｅ ． １１ ｃ ２０
２１ ０ １年 １ ２月
文 章 编 号 ：６ １０ ７ （ ０ １ ０ —０ ９０ １ ７ —５ ６ ２ １ ） ４０ ４ — ３
一个宽带双脊喇叭天线的设计方法
一个宽带双脊喇叭天线的设计方法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。
一款高增益双脊喇叭天线
一款高增益双脊喇叭天线目录一、内容概述 (2)1.1 背景与意义 (2)1.2 技发展现状 (3)1.3 文献综述 (5)二、双脊喇叭天线基础理论 (6)2.1 双脊喇叭天线的定义 (8)2.2 工作原理与特性分析 (9)2.3 设计考虑因素 (10)三、高增益双脊喇叭天线设计 (11)3.1 喇叭结构设计 (12)3.1.1 单元设计 (13)3.1.2 连接方式 (14)3.2 阻抗匹配与调谐 (15)3.2.1 传输线理论 (16)3.2.2 匹配网络设计 (17)3.3 增益提升技术 (19)3.3.1 驻波与模式耦合 (20)3.3.2 反射面设计 (21)四、仿真与实验验证 (22)4.1 仿真模型建立 (23)4.2 仿真结果分析 (24)4.3 实验方法与步骤 (25)4.4 实验结果与讨论 (26)五、应用场景与效果评估 (27)5.1 应用场景介绍 (29)5.2 实际应用案例 (30)5.3 性能评估标准与方法 (31)5.4 效果评估与分析 (32)六、结论与展望 (34)6.1 研究成果总结 (35)6.2 存在问题与不足 (36)6.3 后续研究方向与应用前景展望 (37)一、内容概述本文详细介绍了一款高效能的双脊喇叭天线，深入探讨了其设计理念、工作原理、显著特点以及在无线通信领域的应用价值。
这款天线凭借其创新的双脊结构设计，实现了卓越的增益性能，为天线技术的发展树立了一个新的里程碑。
在现代无线通信系统中，天线的性能对于整个系统的接收和发送质量具有决定性的影响。
高增益天线能够在相同的发射功率下，辐射更强的信号，从而扩大通信覆盖范围，提高通信质量。
双脊喇叭天线的设计还巧妙地解决了传统天线在宽频带、小型化等方面的难题，满足了现代通信系统对高性能天线的迫切需求。
文中通过对双脊喇叭天线的结构、工作原理以及性能特点进行深入的分析，向读者展示了一款真正的高增益双脊喇叭天线设计方案。
喇叭天线设计方法
喇叭天线设计方法喇叭天线是指一种特殊形状的无线电天线，其截面呈喇叭形状，由于其独特的结构设计，使其具有增益高、频率响应宽、辐射范围广等优点，广泛应用于通信、雷达、导航等领域。
本文将介绍喇叭天线的设计方法，包括结构设计、参数计算及优化等方面。
首先，喇叭天线的结构设计是影响其性能的关键因素。
其基本结构包括发射口、传输线、扩口和折射球等部分。
发射口是通信信号从传输线传出的地方，通常由金属板制成，尺寸大小与工作波长有关。
传输线用于将信号从发射口传输到喇叭天线的扩口处，可以是传统的同轴电缆或者微带线等。
扩口是将电磁波逐渐展开，扩大辐射范围的关键部分，其形状和尺寸直接影响到喇叭天线的增益和方向性。
折射球是位于喇叭天线扩口前面的球状物体，其作用是平滑电磁波的传播路径，减少波的折射和反射。
接下来，进行喇叭天线的参数计算。
首先要确定喇叭天线的工作频率范围，然后根据工作频率计算喇叭口的最小尺寸。
通常，喇叭口的尺寸应该满足大于半波长的要求，以确保信号的有效辐射。
然后，根据最小口径，可以计算扩口的尺寸。
扩口的尺寸可以根据辐射范围的要求进行设计。
为了提高天线的增益和方向性，可以根据折射球的尺寸和材料来优化。
在喇叭天线设计中，还需要考虑电磁波在喇叭结构中的传播路径和衰减情况。
传输线的设计应考虑电磁波的传输损耗和干扰问题。
在扩口和折射球的设计中，要注意电磁波的反射和折射问题，尽量减少信号的损失和干扰。
除了结构设计和参数计算，还可以采用一些优化方法来改善喇叭天线的性能。
例如，可以通过改变喇叭天线的形状和尺寸来优化其增益和方向性。
可以利用计算机模拟和测试方法，对不同的设计方案进行模拟和比较，从而选择最优的设计方案。
此外，还可以通过改变喇叭口的曲率和折射球的材料来调整电磁波的传播路径，以提高天线的效能。
总之，喇叭天线的设计方法涉及结构设计、参数计算和优化等方面。
通过合理设计喇叭天线的结构和尺寸，以及优化电磁波的传播路径和衰减情况，可以提高喇叭天线的性能和效能。
8~18GHz双脊喇叭天线的设计与仿真
Design and Simulation of 8～18GHz Double-ridged Horn Antenna
ZHOU Yuan1,2,QU Le-le1,DU Xin-yue2,ZHANG Xu2
(1.School of Electronic Information Engineering, Shenyang Aerospace University,Shenyang Liaoning 110136; 2.Shenyang Aircraft Corporation, Shenyang Liaoning 110850)
2 天线的设计
我们首先需要计算出8～18GHz的双脊喇叭天线的喇
叭口径宽度、口径高度以及喇叭长度, 还有附带波导的宽
度、高度与长度。波导尺寸a、b,要保证波导内只传输TE10
的波。如果给定波长 ,通常取a=0.72 。在本设计中,为
了节省仿真资源这里我们按照国际标准选取尺寸相近的
波导WR112型号。
(a)13GHz
图 2 喇叭天线归一化方向图 Fig.2 Normalized pattern of horn antenna
(b)18GHz
128
周嫄 屈乐乐 杜新悦等:8 ～18G Hz 双脊喇叭天线的设计与仿真
2021年第 1 期
图 3 8～18GHz 喇叭天线回波损耗仿真结果图 Fig.3 Simulation results of return loss of 8-18GHz horn antenna
- 1 0 d B 以下, 具有良好的电性能和辐射性能。
参考文献 [1] 张丰,张显才,张小涵,等.2～18GHz 超宽带双脊喇叭天线的设 计与实现[J].空军预警学院学报,2020,34(5):382-386. [2] 陈小波,周冬梅,陈薇,等.一种宽带波束聚焦系统的研究与设计 [J].电子世界,2017(22):139-140. [3] 刘国玺,耿京朝,路志勇.宽频带角锥脊喇叭天线的设计方法[J]. 无线电通信技术,2005(4):44-45.
5~40 GHz超宽带双脊喇叭天线设计
5~40 GHz超宽带双脊喇叭天线设计
杨洋;孙全
【期刊名称】《信息化研究》
【年(卷),期】2024(50)1
【摘要】本文针对超宽带喇叭天线主瓣方向图在高频的分裂现象,提出一种符合实际工程应用的超宽带双脊喇叭天线设计。
此天线将双脊喇叭天线的侧壁变为金属栅格来改善天线的低频阻抗特性,缩小天线尺寸的同时抑制了高频主瓣方向图的分裂。
本文从理论方面对脊波导和喇叭天线侧壁引入金属栅格的机理进行了分析,使用Ansoft HFSS电磁仿真软件对天线各部分尺寸进行优化仿真设计,实现了5~40 GHz最优双脊喇叭天线设计,其驻波比在全频带内小于2.5。
本文对所设计天线进
行了加工、装配、电性能测试,其测试电性能和仿真基本一致。
【总页数】5页(P68-71)
【作者】杨洋;孙全
【作者单位】空装上海局驻南京地区第二军事代表室;南京科瑞达电子装备有限责
任公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN82
【相关文献】
1.0.2～2 GHz宽带双脊喇叭天线的设计
2.2~18GHz超宽带双脊喇叭天线的设计与实现
3.1~5 GHz超宽带双脊喇叭天线的设计
4.0.2～2.5 GHz改进型超宽带双脊喇叭天线的设计与实现
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喇叭天线设计方法
喇叭天线设计方法
喇叭天线是一种常见的天线类型，广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。
其设计方法可以分为以下几个步骤：
1. 确定工作频率和增益要求。
根据具体的应用场景，确定喇叭天线的工作频率和所需增益。
这些参数将决定喇叭的几何形状和大小。
2. 构造喇叭天线的几何形状。
根据工作频率和增益要求，设计喇叭的几何形状。
这个过程需要考虑喇叭的长度、宽度、角度等参数。
一般来说，喇叭的长度应该是波长的几个倍数，以保证天线的辐射效率。
3. 设计喇叭的适配网络。
为了提高天线的匹配性能，需要在天线口附近设计一个适配网络，以使天线的输入阻抗与传输线的阻抗匹配。
适配网络可以采用各种不同的形式，包括微带线、同轴线、二分之一波长变压器等。
4. 优化喇叭的阻抗带宽。
喇叭天线的阻抗带宽是指其输入阻抗在指定频率范围内的变化范围。
为了提高天线的阻抗带宽，可以采用各种技术，如加宽喇叭口、采用特殊形状的喇叭等。
5. 进行天线的仿真和测试。
设计完成后，需要进行仿真和测试，以验证天线的性能是否符合要求。
这个过程涉及到天线的辐射特性、阻抗匹配性能、频率响应等方面的测试。
总之，喇叭天线的设计方法需要考虑多个因素，包括工作频率、增益要求、几何形状、适配网络、阻抗带宽等。
只有在综合考
虑这些因素的基础上进行设计和优化，才能得到满足要求的天线。
一种宽带脊喇叭天线[实用新型专利]
![一种宽带脊喇叭天线[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/30ad74bbf01dc281e43af05a.png)
专利名称：一种宽带脊喇叭天线专利类型：实用新型专利
发明人：赵兴
申请号：CN201220622519.X 申请日：20121121
公开号：CN203013931U
公开日：
20130619
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型提出了一种宽带脊喇叭天线，解决了现有技术中由于结构简单，造成波束不能全部有效的反射到探针上进行传输，资源的损失的问题。
该宽带脊喇叭天线包括：座体；馈电导体，设置在所述座体内；第一脊和第二脊，对称设置在所述座体上；第一铝板和第二铝板，对称设置在所述座体上，所述第一铝板和所述第二铝板构成喇叭形槽；探针，插入在所述座体内，用于反射波束的反射装置，设置在所述座体上。
实用新型所述的宽带脊喇叭天线，通过反射装置将波束反射到探针，通过探针进行信号的传输，使得波束充分得到应用。
申请人：北京航威大洋微波科技有限公司
地址：102600 北京市大兴区黄村镇三合南里12号楼403号
国籍：CN
代理机构：北京联瑞联丰知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：郑自群
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一个宽带双脊喇叭天线的设计方法
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。