一種耐高溫寬波束喇叭天線設(shè)計

智鋼

摘 要：本文介紹了一種喇叭天線，通過減小H面口徑寬度，增大了H面的波束寬度；為了增大天線的帶寬，采用脊波導(dǎo)的形式并在天線開口端加脊；同時在天線口面加陶瓷介質(zhì)材料天線罩以達到耐高溫的性能。由于天線罩的反射，對天線駐波等性能有很大影響，通過HFSS軟件仿真優(yōu)化，天線增益達到9dB以上，H面-3dB波束寬度達到60度，在10%帶寬內(nèi)匹配良好。

關(guān)鍵詞：喇叭天線；脊波導(dǎo)；帶寬；增益

0 引言

對喇叭天線進行優(yōu)化設(shè)計，目前比較常用的耐高溫的材料有石英玻璃、陶瓷等材料，但是從造價、電性能等方面綜合考慮，采用陶瓷材料更加方便[2]。

由于天線的口徑與其波束寬度是成反比的，所以為了增加天線的波束寬度，只能減小天線的口徑。針對線極化喇叭天線，具體要根據(jù)需要增大的是E面或者H面的波束寬度而相應(yīng)地減小喇叭天線口面的長度或者寬度[3，4]。

1 喇叭天線設(shè)計原理

一般來說脊喇叭天線由三部分組成：饋電部分、脊波導(dǎo)部分、喇叭張開部分，為了達到耐高溫的性能，還需要在喇叭開口端加上天線罩，其模型如圖1所示。各部分的設(shè)計原理如下。

（1）饋電部分的設(shè)計

饋電部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由于脊波導(dǎo)的阻抗很低，經(jīng)過調(diào)整很容易達到50Ω，所以同軸接頭2一般選用50Ω的SMA或N型接頭。同軸線的外導(dǎo)體連接在波導(dǎo)的側(cè)壁上，并于上面的脊4相連。內(nèi)導(dǎo)體3穿過上面的脊連接到下面的脊形成短路。最后，在脊波導(dǎo)的后端加一段直波導(dǎo)1，通常長度應(yīng)小于最高工作頻率的半個波長。在這里設(shè)計的關(guān)鍵部分是接頭的位置距離脊末端的距離，HFSS仿真結(jié)果表明，此距離越小，天線的匹配性能越好，所以在實際設(shè)計中，在考慮到脊的材料強度的基礎(chǔ)上盡量縮短這一距離。

（2）脊波導(dǎo)部分設(shè)計

脊波導(dǎo)部分截面示意圖如圖3所示。波導(dǎo)的橫截面尺寸為a×b，脊寬為a1，脊間距b1，波導(dǎo)口徑的選擇以高端頻率來選取，矩形口徑直波導(dǎo)加脊后截至頻率的計算式為：

C=cosh-2ln

？姿'=2a

=

聯(lián)合以上三式即可求得截至波長？姿，其中x=b1/b，Cd是關(guān)于x的一個不連續(xù)性電容的函數(shù)，？著是傳播媒質(zhì)的介電常數(shù)。

（3）喇叭張開部分設(shè)計

喇叭張開部分設(shè)計需要考慮三個問題：1、為了擴展H面的波束寬度，H面的喇叭口應(yīng)該緊縮，但是這樣會引起喇叭內(nèi)電磁波模式的變化，給駐波帶來影響，所以緊縮的尺寸大小需要優(yōu)化；2、因為下一步還會有天線罩的安裝，所以需要在天線的口徑面上做一些處理以方便天線罩的安裝；3、在喇叭張開段脊曲線的設(shè)計。

關(guān)于第一個問題，經(jīng)過HFSS軟件的優(yōu)化，可以得到最佳尺寸；關(guān)于天線罩安裝的問題，在天線口徑上擴展一法蘭盤，則天線罩就可以通過螺釘與法蘭盤連接如圖4所示；

脊曲線的求解是脊喇叭設(shè)計的關(guān)鍵部分，它是一個指數(shù)曲線如圖5所示，其數(shù)學(xué)表達式為：

yx=Ae+Cx

在這里附加的線性項主要是為了增加低頻段的帶寬，在要求不是超寬帶的情形下這項可以去除，這樣一來脊曲線的求解就變得簡單了。

（4）天線罩的設(shè)計

為了達到耐高溫的目的，需要用天線罩對天線加以保護，所以天線罩就需要有穩(wěn)定的高溫介電性能。材料的介電性能包括介電常數(shù)與損耗角正切，是材料選擇的主要依據(jù)，損耗角正切越大，則電磁波能量在透過天線罩時由于發(fā)熱而損耗的能量就越大；介電常數(shù)越大，則電磁波在空氣與天線罩壁分界面上的反射就越大，從而降低傳輸效率。所以，理想的天線罩選擇應(yīng)是低介電常數(shù)、低損耗角。目前常用的天線罩材料有氧化鋁陶瓷、微晶玻璃、堇青石陶瓷、石英陶瓷、氮化硅等。其中石英陶瓷材料的介電常數(shù)對頻率和溫度非常穩(wěn)定。

喇叭天線的天線罩是安裝在開口端的法蘭盤上，所以是一種平面結(jié)構(gòu)，靠四個角上的安裝孔可以與法蘭盤連接，如圖6所示。其厚度需要和介電常數(shù)綜合考慮。

2 仿真結(jié)果

依據(jù)以上設(shè)計，在HFSS中建立的仿真模型如圖7所示，通過優(yōu)化設(shè)計，得到其具體尺寸為：喇叭口面10mm×22mm，喇叭軸向長度8mm，天線罩厚度3mm。

由此仿真得到的天線駐波曲線如圖8所示，天線的全向方向圖如圖9，在中心頻率H面和E面方向圖分別圖10、圖11。

由以上結(jié)果可以看出，天線的增益達到9.5dB以上，H面波束通過縮小方位面的口徑寬度有效地得到展寬，在增益0dB以上達到了140度的波束寬度，H面-3dB波束寬度達到60度。由全向方向圖可見，天線形成了一種扁圓形的波束形式。

理論上來講，加上脊以后天線的帶寬應(yīng)該更寬，但是由于口徑面的縮小以及天線罩的反射，對駐波產(chǎn)生了很大的影響，通過優(yōu)化設(shè)計以后，天線帶寬還是達到了10%以上。

參考文獻：

[1]閻濤，丁偉，萬繼響等 彈載數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)天線設(shè)計[J]. 微波學(xué)報， 2012年S2期

[2]夏明凱，劉誼，侯瑞等 氮化硅材料在空空導(dǎo)彈天線罩上的應(yīng)用研究[J]. 彈載與制導(dǎo)學(xué)報，2014，34（1）：24-26.

[3]燕有杰，劉小龍，蔣廷勇等 加脊TEM喇叭初步研究[J]. 強激光與粒子束，2012，24（9）：2130-2133.

[4]于臻， 余建國，冉小英 H面矩形喇叭天線的仿真與測試[J]. 實驗室研究與探索，2013，32（6）：258-262.

摘 要：本文介紹了一種喇叭天線，通過減小H面口徑寬度，增大了H面的波束寬度；為了增大天線的帶寬，采用脊波導(dǎo)的形式并在天線開口端加脊；同時在天線口面加陶瓷介質(zhì)材料天線罩以達到耐高溫的性能。由于天線罩的反射，對天線駐波等性能有很大影響，通過HFSS軟件仿真優(yōu)化，天線增益達到9dB以上，H面-3dB波束寬度達到60度，在10%帶寬內(nèi)匹配良好。

關(guān)鍵詞：喇叭天線；脊波導(dǎo)；帶寬；增益

0 引言

對喇叭天線進行優(yōu)化設(shè)計，目前比較常用的耐高溫的材料有石英玻璃、陶瓷等材料，但是從造價、電性能等方面綜合考慮，采用陶瓷材料更加方便[2]。

由于天線的口徑與其波束寬度是成反比的，所以為了增加天線的波束寬度，只能減小天線的口徑。針對線極化喇叭天線，具體要根據(jù)需要增大的是E面或者H面的波束寬度而相應(yīng)地減小喇叭天線口面的長度或者寬度[3，4]。

1 喇叭天線設(shè)計原理

一般來說脊喇叭天線由三部分組成：饋電部分、脊波導(dǎo)部分、喇叭張開部分，為了達到耐高溫的性能，還需要在喇叭開口端加上天線罩，其模型如圖1所示。各部分的設(shè)計原理如下。

（1）饋電部分的設(shè)計

饋電部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由于脊波導(dǎo)的阻抗很低，經(jīng)過調(diào)整很容易達到50Ω，所以同軸接頭2一般選用50Ω的SMA或N型接頭。同軸線的外導(dǎo)體連接在波導(dǎo)的側(cè)壁上，并于上面的脊4相連。內(nèi)導(dǎo)體3穿過上面的脊連接到下面的脊形成短路。最后，在脊波導(dǎo)的后端加一段直波導(dǎo)1，通常長度應(yīng)小于最高工作頻率的半個波長。在這里設(shè)計的關(guān)鍵部分是接頭的位置距離脊末端的距離，HFSS仿真結(jié)果表明，此距離越小，天線的匹配性能越好，所以在實際設(shè)計中，在考慮到脊的材料強度的基礎(chǔ)上盡量縮短這一距離。

（2）脊波導(dǎo)部分設(shè)計

脊波導(dǎo)部分截面示意圖如圖3所示。波導(dǎo)的橫截面尺寸為a×b，脊寬為a1，脊間距b1，波導(dǎo)口徑的選擇以高端頻率來選取，矩形口徑直波導(dǎo)加脊后截至頻率的計算式為：

C=cosh-2ln

？姿'=2a

=

聯(lián)合以上三式即可求得截至波長？姿，其中x=b1/b，Cd是關(guān)于x的一個不連續(xù)性電容的函數(shù)，？著是傳播媒質(zhì)的介電常數(shù)。

（3）喇叭張開部分設(shè)計

喇叭張開部分設(shè)計需要考慮三個問題：1、為了擴展H面的波束寬度，H面的喇叭口應(yīng)該緊縮，但是這樣會引起喇叭內(nèi)電磁波模式的變化，給駐波帶來影響，所以緊縮的尺寸大小需要優(yōu)化；2、因為下一步還會有天線罩的安裝，所以需要在天線的口徑面上做一些處理以方便天線罩的安裝；3、在喇叭張開段脊曲線的設(shè)計。

關(guān)于第一個問題，經(jīng)過HFSS軟件的優(yōu)化，可以得到最佳尺寸；關(guān)于天線罩安裝的問題，在天線口徑上擴展一法蘭盤，則天線罩就可以通過螺釘與法蘭盤連接如圖4所示；

脊曲線的求解是脊喇叭設(shè)計的關(guān)鍵部分，它是一個指數(shù)曲線如圖5所示，其數(shù)學(xué)表達式為：

yx=Ae+Cx

在這里附加的線性項主要是為了增加低頻段的帶寬，在要求不是超寬帶的情形下這項可以去除，這樣一來脊曲線的求解就變得簡單了。

（4）天線罩的設(shè)計

為了達到耐高溫的目的，需要用天線罩對天線加以保護，所以天線罩就需要有穩(wěn)定的高溫介電性能。材料的介電性能包括介電常數(shù)與損耗角正切，是材料選擇的主要依據(jù)，損耗角正切越大，則電磁波能量在透過天線罩時由于發(fā)熱而損耗的能量就越大；介電常數(shù)越大，則電磁波在空氣與天線罩壁分界面上的反射就越大，從而降低傳輸效率。所以，理想的天線罩選擇應(yīng)是低介電常數(shù)、低損耗角。目前常用的天線罩材料有氧化鋁陶瓷、微晶玻璃、堇青石陶瓷、石英陶瓷、氮化硅等。其中石英陶瓷材料的介電常數(shù)對頻率和溫度非常穩(wěn)定。

喇叭天線的天線罩是安裝在開口端的法蘭盤上，所以是一種平面結(jié)構(gòu)，靠四個角上的安裝孔可以與法蘭盤連接，如圖6所示。其厚度需要和介電常數(shù)綜合考慮。

2 仿真結(jié)果

依據(jù)以上設(shè)計，在HFSS中建立的仿真模型如圖7所示，通過優(yōu)化設(shè)計，得到其具體尺寸為：喇叭口面10mm×22mm，喇叭軸向長度8mm，天線罩厚度3mm。

由此仿真得到的天線駐波曲線如圖8所示，天線的全向方向圖如圖9，在中心頻率H面和E面方向圖分別圖10、圖11。

由以上結(jié)果可以看出，天線的增益達到9.5dB以上，H面波束通過縮小方位面的口徑寬度有效地得到展寬，在增益0dB以上達到了140度的波束寬度，H面-3dB波束寬度達到60度。由全向方向圖可見，天線形成了一種扁圓形的波束形式。

理論上來講，加上脊以后天線的帶寬應(yīng)該更寬，但是由于口徑面的縮小以及天線罩的反射，對駐波產(chǎn)生了很大的影響，通過優(yōu)化設(shè)計以后，天線帶寬還是達到了10%以上。

參考文獻：

[1]閻濤，丁偉，萬繼響等 彈載數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)天線設(shè)計[J]. 微波學(xué)報， 2012年S2期

[2]夏明凱，劉誼，侯瑞等 氮化硅材料在空空導(dǎo)彈天線罩上的應(yīng)用研究[J]. 彈載與制導(dǎo)學(xué)報，2014，34（1）：24-26.

[3]燕有杰，劉小龍，蔣廷勇等 加脊TEM喇叭初步研究[J]. 強激光與粒子束，2012，24（9）：2130-2133.

[4]于臻， 余建國，冉小英 H面矩形喇叭天線的仿真與測試[J]. 實驗室研究與探索，2013，32（6）：258-262.

摘 要：本文介紹了一種喇叭天線，通過減小H面口徑寬度，增大了H面的波束寬度；為了增大天線的帶寬，采用脊波導(dǎo)的形式并在天線開口端加脊；同時在天線口面加陶瓷介質(zhì)材料天線罩以達到耐高溫的性能。由于天線罩的反射，對天線駐波等性能有很大影響，通過HFSS軟件仿真優(yōu)化，天線增益達到9dB以上，H面-3dB波束寬度達到60度，在10%帶寬內(nèi)匹配良好。

關(guān)鍵詞：喇叭天線；脊波導(dǎo)；帶寬；增益

0 引言

對喇叭天線進行優(yōu)化設(shè)計，目前比較常用的耐高溫的材料有石英玻璃、陶瓷等材料，但是從造價、電性能等方面綜合考慮，采用陶瓷材料更加方便[2]。

由于天線的口徑與其波束寬度是成反比的，所以為了增加天線的波束寬度，只能減小天線的口徑。針對線極化喇叭天線，具體要根據(jù)需要增大的是E面或者H面的波束寬度而相應(yīng)地減小喇叭天線口面的長度或者寬度[3，4]。

1 喇叭天線設(shè)計原理

一般來說脊喇叭天線由三部分組成：饋電部分、脊波導(dǎo)部分、喇叭張開部分，為了達到耐高溫的性能，還需要在喇叭開口端加上天線罩，其模型如圖1所示。各部分的設(shè)計原理如下。

（1）饋電部分的設(shè)計

饋電部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由于脊波導(dǎo)的阻抗很低，經(jīng)過調(diào)整很容易達到50Ω，所以同軸接頭2一般選用50Ω的SMA或N型接頭。同軸線的外導(dǎo)體連接在波導(dǎo)的側(cè)壁上，并于上面的脊4相連。內(nèi)導(dǎo)體3穿過上面的脊連接到下面的脊形成短路。最后，在脊波導(dǎo)的后端加一段直波導(dǎo)1，通常長度應(yīng)小于最高工作頻率的半個波長。在這里設(shè)計的關(guān)鍵部分是接頭的位置距離脊末端的距離，HFSS仿真結(jié)果表明，此距離越小，天線的匹配性能越好，所以在實際設(shè)計中，在考慮到脊的材料強度的基礎(chǔ)上盡量縮短這一距離。

（2）脊波導(dǎo)部分設(shè)計

脊波導(dǎo)部分截面示意圖如圖3所示。波導(dǎo)的橫截面尺寸為a×b，脊寬為a1，脊間距b1，波導(dǎo)口徑的選擇以高端頻率來選取，矩形口徑直波導(dǎo)加脊后截至頻率的計算式為：

C=cosh-2ln

？姿'=2a

=

聯(lián)合以上三式即可求得截至波長？姿，其中x=b1/b，Cd是關(guān)于x的一個不連續(xù)性電容的函數(shù)，？著是傳播媒質(zhì)的介電常數(shù)。

（3）喇叭張開部分設(shè)計

喇叭張開部分設(shè)計需要考慮三個問題：1、為了擴展H面的波束寬度，H面的喇叭口應(yīng)該緊縮，但是這樣會引起喇叭內(nèi)電磁波模式的變化，給駐波帶來影響，所以緊縮的尺寸大小需要優(yōu)化；2、因為下一步還會有天線罩的安裝，所以需要在天線的口徑面上做一些處理以方便天線罩的安裝；3、在喇叭張開段脊曲線的設(shè)計。

關(guān)于第一個問題，經(jīng)過HFSS軟件的優(yōu)化，可以得到最佳尺寸；關(guān)于天線罩安裝的問題，在天線口徑上擴展一法蘭盤，則天線罩就可以通過螺釘與法蘭盤連接如圖4所示；

脊曲線的求解是脊喇叭設(shè)計的關(guān)鍵部分，它是一個指數(shù)曲線如圖5所示，其數(shù)學(xué)表達式為：

yx=Ae+Cx

在這里附加的線性項主要是為了增加低頻段的帶寬，在要求不是超寬帶的情形下這項可以去除，這樣一來脊曲線的求解就變得簡單了。

（4）天線罩的設(shè)計

為了達到耐高溫的目的，需要用天線罩對天線加以保護，所以天線罩就需要有穩(wěn)定的高溫介電性能。材料的介電性能包括介電常數(shù)與損耗角正切，是材料選擇的主要依據(jù)，損耗角正切越大，則電磁波能量在透過天線罩時由于發(fā)熱而損耗的能量就越大；介電常數(shù)越大，則電磁波在空氣與天線罩壁分界面上的反射就越大，從而降低傳輸效率。所以，理想的天線罩選擇應(yīng)是低介電常數(shù)、低損耗角。目前常用的天線罩材料有氧化鋁陶瓷、微晶玻璃、堇青石陶瓷、石英陶瓷、氮化硅等。其中石英陶瓷材料的介電常數(shù)對頻率和溫度非常穩(wěn)定。

喇叭天線的天線罩是安裝在開口端的法蘭盤上，所以是一種平面結(jié)構(gòu)，靠四個角上的安裝孔可以與法蘭盤連接，如圖6所示。其厚度需要和介電常數(shù)綜合考慮。

2 仿真結(jié)果

依據(jù)以上設(shè)計，在HFSS中建立的仿真模型如圖7所示，通過優(yōu)化設(shè)計，得到其具體尺寸為：喇叭口面10mm×22mm，喇叭軸向長度8mm，天線罩厚度3mm。

由此仿真得到的天線駐波曲線如圖8所示，天線的全向方向圖如圖9，在中心頻率H面和E面方向圖分別圖10、圖11。

由以上結(jié)果可以看出，天線的增益達到9.5dB以上，H面波束通過縮小方位面的口徑寬度有效地得到展寬，在增益0dB以上達到了140度的波束寬度，H面-3dB波束寬度達到60度。由全向方向圖可見，天線形成了一種扁圓形的波束形式。

理論上來講，加上脊以后天線的帶寬應(yīng)該更寬，但是由于口徑面的縮小以及天線罩的反射，對駐波產(chǎn)生了很大的影響，通過優(yōu)化設(shè)計以后，天線帶寬還是達到了10%以上。

參考文獻：

[1]閻濤，丁偉，萬繼響等 彈載數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)天線設(shè)計[J]. 微波學(xué)報， 2012年S2期

[2]夏明凱，劉誼，侯瑞等 氮化硅材料在空空導(dǎo)彈天線罩上的應(yīng)用研究[J]. 彈載與制導(dǎo)學(xué)報，2014，34（1）：24-26.

[3]燕有杰，劉小龍，蔣廷勇等 加脊TEM喇叭初步研究[J]. 強激光與粒子束，2012，24（9）：2130-2133.

[4]于臻， 余建國，冉小英 H面矩形喇叭天線的仿真與測試[J]. 實驗室研究與探索，2013，32（6）：258-262.