高效宽带喇叭天线的设计

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1、高效宽带喇叭天线的设计丁晓磊(中国航天科技集团公司704所，北京100076)dxiaolei@163.com摘要为满足电磁兼容测试对小体积、宽频带和高增益天线的需求，结合宽频带天线的工作原理，设计了一种结构紧凑的局部加脊宽带喇叭天线。和相同尺寸的普通加脊喇叭天线相比，增益提高约1-3dB。关键词加脊喇叭、宽频带、高效率TheDesignofHighEfficientBroadbandHornAntennaDINGXIAOLEI(InstituteofNo.704,ChinaAerospaceScienceandTechnologyCorporation,

2、Beijing100076,China)Abstract:Thepaperpresentsahornantennawithridgeslocatedatthestartofflare.Inadditiontothebroadbandwidth,asubstantialincreaseinantennagainoverthatofcommonridgedhornhasbeenachievedforthedesigninthispaper.Thedesignedantennacanbeusednotonlyforelectromagneticcompatibi

3、litymeasurementbutalsoforbroad-bandcommunicationsystem.Keywords:ridgedhorn,broadband,highefficiency21引言常见的宽带天线包括：加脊喇叭天线、TEM喇叭天线、对数周期天线、螺旋天线、Vivaldi天线等。加脊喇叭因其具有频带宽、结构紧凑、辐射口径稳定的特点，是电磁兼容测试的理想天线。加脊喇叭天线的设计方法和理论分析都有较多的文献报道，但对于在缩短天线轴向长度的同时提高天线增益的设计方法还未见报道。众所周知，一般的加脊喇叭天线的脊都是从馈电点延伸到辐射口面，由于

4、辐射口径内脊结构的二次效应，其增益一般比相同口径的普通光壁喇叭的增益低1-3dB。为满足实际应用时对小体积、宽频带和高增益天线的需求，结合宽频带天线的工作原理和常见加脊喇叭天线的缺点，本文设计了一种结构紧凑的高效宽频带天线。其剖面图如图1所示。和相同频带、相同增益的普通加脊喇叭天线相比，该天线具有体积小、重量轻的优点。图1局部加脊喇叭天线结构示意图2设计原理根据宽频带天线的工作原理，要实现天线的宽频带工作必须满足输入端的宽频带阻抗匹配和辐射性能的宽频带特性。借鉴普通加脊喇叭天线的设计思路，本文设计的天线通过同轴到双脊波导的变换实现信号能量的馈入，通过脊曲线

5、和喇叭参数的优化设计实现脊波导到辐射喇叭阻抗的平滑匹配和信号能量的理想传输和辐射。2____________________________2作者简介：丁晓磊，女，研究员，主要研究领域为天线理论和技术。22．1馈电结构的设计该天线的馈电结构由三部分组成：匹配腔体、脊波导和同轴脊波导的变换。同轴脊波导变换部分的同轴接头可选用50Ω的电缆头如SMA、N型等即可。但应注意内导体要足够长,以便能深入到对应的脊并保证与其电接触。同轴的内导体外壁应尽量靠近脊的终端。匹配腔体即脊波导后端的短路段部分，用于滤除被激励出来的TE20模,其结构参数包括波导截面参数Ac´Bc和

6、长度Lc，Lc一般小于最高工作频率对应的波长的一半，Ac约等于最高工作频率对应的脊波导内TE20模对应波长的一半，Bc小于Ac。脊波导的优点是降低主模传输的截止频率和抬高高次模出现的频率，从而展宽波导的工作频带。矩形双脊波导的结构如图2所示。其中a和b为波导的宽和高，s为脊的宽度，d为两个脊之间的距离。图3是文献[1]给出的双脊波导在b/a=0.5时不同模式的截至波长和脊波导参数的关系曲线。当采用同轴双脊波导转换的馈电结构时,激励点处于脊波导中心,使得TE20模被抑制。双脊波导的最大可用单模传输带宽就由TE10模的截止波长和TE30模的截止波长的比值决定。

7、由图3给出的TE10模的截止波长和TE30模的截止波长可知，矩形双脊波导采用同轴馈电时其最大理论单模传输带宽约为9：1，由于工程可实现的限制，矩形双脊喇叭天线的单模工作带宽一般窄于9：1，对于超过单模工作频带的高频端方向图，必然会有方向图形状的畸变和增益恶化。为保证全频带内阻抗的理想匹配，双脊波导参数的选择应满足使用频率高于截止频率15%~25%的条件。图2双脊波导截面示意图图3aTE10模图3bTE20模图3cTE30模图3不同模式的截至波长和脊波导参数2.2辐射喇叭的设计喇叭段的长度和喇叭截面参数可按照常规角锥喇叭的设计公式，根据增益与口径面相差的要求

8、来确定[2]。由于该喇叭工作于宽频带，根据前面脊波导单模工作的情况