5-40 GHz超宽带双脊喇叭天线设计.pdf

682024年2 月Feb.2024InformatizationResearchVol.50 No.1信息化研究第50 卷第1期540 G H z 超宽带双脊喇叭天线设计杨洋，孙全2（1.空装上海局驻南京地区第二军事代表室，南京，2 1110 0；2.南京科瑞达电子装备有限责任公司，南京，2 1110 0）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AnsoftHFSS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540 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。关键词：超宽带；栅格侧壁；双脊喇叭中图分类号：TN820引言喇叭天线增益高、频带宽、耐功率高，在数字通信、电磁兼容测试、雷达系统中应用广泛。一般情况下，在高阶模式出现之前可以采用脊线来展宽单模的工作带宽。双脊喇叭天线就是利用这种原理实现很宽的带宽。使用矩量法对双脊喇叭天线进行模拟分析，其分析结果表明，双脊喇叭天线工作在高频时，其方向图主瓣会分裂为4瓣，其增益出现明显降低1。近些年，国内外学者针对双脊喇叭主瓣分裂问题，展开了大量研究并给出了几种改善方案。主要采取的方式为在喇叭天线的侧壁进行改善，如采取直接去掉喇叭侧壁方式2 ，将全金属侧壁替换为金属栅格3-5，改善了低频的匹配和高频的辐射方向图；还有使用将介质透镜6-7 放置在喇叭口面的方式，聚集天线辐射能量；还有学者通过不对称8 结构设计、在喇叭壁加载波纹9-10 1使喇叭天线辐射性能提高。以上方案中，学者们大多关注于对结构设计的改进，对双脊喇叭天线的结构设计机理、改善机理和加工装配的研究并不多。本文基于将喇叭天线金属侧壁采用金属栅格替换的方案，从定量角度给出脊波导、金属栅格的工作机理，并给出了这种小尺寸喇叭从设计到加工工艺，再到装配方式的全过程。针对工程应用，提出了两种新的装配方式来确保结构可收稿日期：2 0 2 3-11-0 9靠性。本文提出的540 GHz双脊喇叭天线电性能优异，满足工程应用，全频段方向图主瓣无分裂。1双脊喇叭天线的原理与设计天线的主要组成部分为同轴馈电、加脊波导段、加脊喇叭天线段。根据目标工作频率540 GHz需求，设计的喇叭截止频率需要小于5GHz，同时保证全频带内模式传输。双脊喇叭天线如图1所示。馈电结构脊短路版加脊波导段，加脊喇叭段图1双脊喇叭天线示意图设计时首先开始对脊波导进行分析，其尺寸大小影响同轴馈电端到喇叭口径的阻抗匹配。图2 给出了脊波导的截面图，其中，a为波导长边，6 为波导短边，a1为脊宽，bi为脊的间距ablbTa图2脊波导示意图69技术与应用杨洋，等：5 40 GHz超宽带双脊喇叭天线设计第50 卷第1期双脊波导的截止频率为：1=(1)2Cai)(a-ai)b元61E双脊波导的截止波长为：a2C入。=元)(a 一ai)b(2)61双脊波导的特征阻抗为：ZZ。=(3)V1-(入/入)2上述公式中，双脊波导的截止波长用入。表示，自由空间波长用入表示，当入趋于零时脊波导的等效阻抗用乙。表示。从公式（1)和公式（2)中可以分析出，脊的棱边缘存在电容效应，导致其主模式TEio模截止频率低于一般传统矩形波导的TE1模的截止频率，同时其高次模式TE3o模式的截止频率相对一般传统矩形波导截止频率更高。所以，加脊波导有着更宽的单模工作带宽，同时具有等效阻抗低的优点，有利于各结构间的阻抗匹配。因此，在本文中采用脊波导进行馈电，以脊波导为基础进行延伸，就构成了加脊喇叭天线。根据上述公式，a1、b i 的初始值可以由截止频率f。获得，使用AnsoftHFSS电磁仿真软件构建初始模型进行尺寸优化，可以获得1、b i 最优值。馈电为同轴馈电，它与脊波导底部短路面之间部分影响天线带宽。在仿真设计中，建立同轴、脊波导转换结构的三维模型，对脊的参数、同轴到短路面的距离等参数进行优化，确定最佳尺寸。接下来进行喇叭段设计，喇叭段的长度需要大于天线最低频波长的一半来抑制阻抗变化引起的高次模。设计时喇叭阻抗符合下式要求，可实现同轴的50馈电到喇叭口的自由空间阻抗37 7 Q过渡11OZo=Zo0ekr,0 x1/2(4)Z。=37 7+Z o(1e k(l-),l/2 l(（5)公式（4）、（5)中，喇叭段长度用l表示，k是一个常数（喇叭中心阻抗可以用喇叭两端阻抗的平均值表示）。所以，可以用平滑的指数形式来进行喇叭段的双脊设计，脊公式为：y=Aek+C(6)为解决常规双脊喇叭天线高频主瓣分裂问题，本设计采用金属栅格代替喇叭天线侧壁。侧壁的金属栅格存在感抗，而喇叭天线与侧壁相连的上下壁间有电容存在，电容电感可以在低频时产生谐振，降低低频工作频率，一定程度拓宽了天线带宽。同时，侧壁的金属栅格能够进行补偿辐射，对方向图主瓣分裂具有改善效果。无金属栅格和引人金属栅格的等效电路图演进如图3所示图3金属栅格等效电路图喇叭侧壁在没有金属栅格状态时，喇叭的上下壁中间有电容存在。电容的单位面积等效公式为12=%(7)d上下壁间加人金属栅格相当于在喇叭上下壁间引人新的电感，电感的单位长度等效公式为：211）=n(8)2元6+C2式中，l为金属栅格的长度；6 为金属栅格的矩形截面长；c为矩形截面的宽。引入的电感和喇叭上下壁间的电容可以谐振在低频，使用式（9)可以进行谐振频率估算。1=(9)2元VLdcS式中，d为金属栅格长度的平均值；S为喇叭的上下金属板投影在其侧面平面上的面积。上述对双脊侧壁栅格喇叭天线的机理和设计全过程进行了详细分析，采用HFSS进行三维建模、优化仿真。双脊喇叭天线最终结构模型如图4所示。图4双脊喇叭天线结构在540 GHz全频带驻波 2.5，天线相对带宽达到155%，仿真驻波如图5所示。70技术与应用2024年2 月信息化研究VSWR10.009.008.007.00AMSA8.00-5.004.003.002.001.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.00Freq(GHz)图5双脊喇叭天线仿真驻波2双脊喇叭天线的装配与测试对双脊喇叭天线进行加工，本节给出喇叭天线的加工与装配方法。双脊喇叭天线由喇叭体和SMA插座组成。实物如图6 所示。图6双脊喇叭天线外形图双脊喇叭天线的喇叭体采用金属块一体化直接洗出，因为在高频时对天线的加工精度要求较高，如40GHz的半波长仅有3.7 5mm，喇叭体拆开加工再用螺钉组合会导致公差上的误差，它对低频大尺寸天线影响相对不明显，但对高频小尺寸天线的影响往往是致命的，一体化洗出保证了辐射腔体的稳定性。SMA插座为定制连接器，探针长度定制为7mm来保证探针可以接触到需要电连接的脊，由于天线喇叭体中需要预留探针孔位，且孔位需要开大一些来保证探针能够穿过，这就导致了探针和需要电连接的脊之间无法直接接触，这会带来阻抗失配，导致低频驻波存在问题，如图7 所示。Morker4.6SGaMatket11Moher2Referenceh图7SMA连接器探针直插喇叭天线驻波SMA采用直插连接，双脊喇叭天线的驻波在6GHz附近恶化到3，为解决这一问题，本文提出了2种解决方案，且第1种方案已经过实测验证，方式简单，效果优异。（1）SM A 装配处理方案1：利用导电胶适量涂抹于探针顶部，采用高温烘箱进行固化，如图8 所示。图：SMA连接器探针固化导电胶此时导电胶固化于探针顶部，通过调整导电胶的固化量大小，可保证连接器探针与喇叭体需要电连接的脊充分连接，天线驻波与仿真值基本一致且小于2.5。采用此方案处理的天线驻波如图9所示。ieetPespoeSinslsHehortftegunxy517PPreCTectCen*h图9SMA连接器探针固化导电胶天线驻波（2）SM A 装配处理方案2：喇叭体加工时将探针孔位打穿，装配时从需要电连接侧壁孔位灌人导电胶，或采用可套接SMA探针的圆环形探针进行从侧壁插人套接，环形探针内也可涂上导电胶确保喇叭体与探针电连接充分。双脊喇叭天线具体尺寸为：喇叭口面36 mm22.4mm，波导段底面4mmX2.4mm，波导段长2.4mm，喇叭的轴向长度为32.4mm。天线重量约为13g。5GHz、18 G H z、2 6 G H z、40 G H z 这4个频点的仿真、实测方向图对比曲线如图10 所示。与天线仿真方向图对比可见增益实测结果和仿真结果曲线变化基本一致。由于天线尺寸较小，存在一定的加工误差，且测试时由于测试架和测试场地的影响，实测增益和仿真增益值有细微差异，但方向图主瓣均未出现波瓣分裂。71技术与应用杨洋，等：5 40 GHz超宽带双脊喇叭天线设计第50 卷第1期5GHz18GHz15.0015.00仿真E面仿真E面10.0010.00仿真H面仿真H面8P/5.00实测E面8P/5.00实测E面实测H面实测H面0.000.00-5.00-5.00-10.00M-10.00-15.00-15.00-20.00-20.00-180.00-120.00-60.000.0060.00120.00180.00-180.000-120.00-60.000.0060.00120.00180.00角度/deg角度/deg26GHz40GHz15.0015.00仿真E面仿真E面10.0010.00仿真H面仿真H面5.00实测E面5.00实测E面AP/实测H面8P/0.000.00实测H面-5.00-5.00里-10.0 0-10.00-15.00-15.00-20.00-20.00-25.00-25.00-180.00-120.00-60.000.0060.00120.00180.00-180.00-120.00-60.000.0060.00120.00180.00角度/deg角度/deg图10双脊喇叭天线仿真、实测方向图（5GHz、18 G H z、2 6 G H z、40 G H z）3结束语本文详细给出了一种超宽带双脊喇叭天线的机理分析和设计全过程。首先清晰给出了双脊喇叭天线脊波导、脊线、引人金属栅格的设计机理和仿真方法，随后针对高频率、小尺寸喇叭的加工与装配问题进行详细分析，提出了两种新的SMA装配工艺。遵循本文的设计方法，可简化设计流程，确保设计、加工可靠性。本文设计的540 GHz双脊喇叭天线仿真和实测结果基本吻合，实测全频段内驻波VSWR 4.6 2 dBi；且方向图主瓣在全频段内无开裂现象，辐射性能较优。参考文献1 Bruns C,Leuchtmann P,Vahldieck R.Analysis and Simu-lation of a 1-18 GHz Broadband Double-Ridged Horn An-tennaJ.IEEE Transactions on Electromagnetic Compati-bility，2 0 0 3,45(0 1):55-6 0.2 王菲.15GHz超宽带双脊喇叭天线的设计J.电子技术与软件工程，2 0 2 1（10）：6 8-6 9.3 Jacobs 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of situation information products,adaptive optimization of push channels,and adaptive presentation of situationviews.This method provides guidance for accurately guaranteeing the key information needs of commanders.Key words:key information;situation information guarantee;situation distributionDesign of 5-7Horn AntennaYang Yang,Sun Quan?(l.Nanjing Second Military Representatives Office of the AirForce Equipment Department in Shanghai,Nanjing 211100,China;2.Nanjing Corad Electronic Equipment Co.,Nanjing 211100,China)Abstract:This paper proposed a practical engineering solution for the phenomenon of splitting in the mainlobe direction pattern of ultra-wideband horn antennas at high frequencies.A double-ridge horn antenna withmetal grids introduced on the sidewall of the horn is proposed.This antenna improves the low-frequency imped-ance characteristics,reduce the antenna size,and mitigates the splitting phenomenon in the main lobe directionpattern at high frequencies.The working principle of the ridge waveguide and the introduction of metal grids onthe sidewall are analyzed in this paper.The design process is described,and Ansoft HFSS electromagnetic sim-ulation software is used to optimize the shape and dimensions of the antenna.The optimized design achieves a5-40 GHz dual-ridge horn antenna with a VSWR of less than 2.5 across the entire frequency range.The an-tenna is fabricated,assembled,and subjected to electrical performance testing,which shows good agreementwith thesimulationresults.Key words:ultra-wideband;grid sidewall;double-ridge horn