“飘带”式喇叭天线特性研究

　　摘 要:基于TEM喇叭天线的结构特点,兼顾天线辐射性能和轻量化考虑,设计了一种“飘带”式喇叭天线,该设计用两根弯曲的窄带代替了基本模型中的上板。针对“飘带”式喇叭天线的一些重要物理尺寸,利用Ansoft HFSS仿真软件对模型进行了分析。结果表明,该结构进一步改善了喇叭天线的低频性能,展宽了天线的频带。最后分析了“飘带”式喇叭天线的各个参数与天线性能之间的关系,得到了一组优化结果。
　　关键词:飘带;喇叭天线;超宽带;天线参数
　　中图分类号:TN82 文献标识码:A
　　文章编号:1004-373X(2010)03-004-03
　　
　　Characteristics Investigation of Ribbon Horn Antenna
　　LIU Xiuxiang,LEI Zhenya,XIE Yongjun,YANG Rui
　　(National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology,Xidian University,Xi′an,710071,China)
　　Abstract:Based on the structural characteristics of TEM horn antenna,taking antenna radiation performance and light weight into account,the design of a ribbon type that two curved narrow bands supersedes the basic model on the top board.The important parameters of ribbon horn antenna such as physical size,which can be analyzed using Ansoft HFSS simulation software.The low-frequency characteristics of the antenna have been modified,and the band has been extended.Finally,the relationship between the various parameters of ribbon horn antenna and antenna performance has been obtained via optimized.
　　Keywords:ribbon;horn antenna;UWB;antenna parameter
　　
　　0 引 言
　　
　　TEM喇叭天线具有良好的宽频带特性,结构简单,可承受很高的功率,在众多领域有所应用,一直以来已被众多的研究者所研究[1-15]。基本的TEM喇叭天线[1]结构如图1所示,由上下两块导体板和一个馈电结构组成,其主要参数包括导体板的夹角α、上下板之间的张角β以及上下板的长度。
　　图1 TEM喇叭天线的基本结构
　　例如:文献[1-3]仔细研究了这种TEM喇叭天线,并针对一些物理尺寸进行了分析。但是这类基本的TEM喇叭天线存在着自身的缺陷,在实现超宽带时,很难降低低频的反射,因而无法在低频领域发挥作用。加大天线的物理尺寸,虽然可以改善低频的效果,且增加天线的重量,但约束了天线的实际应用。为了改善TEM喇叭天线的低频性质,研究者开始从天线的结构出发,提出了喇叭天线上下板的渐变结构[4-7],包括“柳叶状”、指数曲线等,目的是要更好地实现TEM喇叭天线从同轴线到空气的阻抗匹配。也有研究者从加载和馈电的方面考虑[8-12],通过低频补偿、加载介质或微带巴伦等形式,降低低频反射,提高TEM喇叭天线的低频利用率。但是,以上研究都是仅针对TEM喇叭天线的某一些参数进行的,仍缺乏参数对于天线性能影响的系统研究。
　　基于以上考虑,根据TEM喇叭天线的结构特点,本文设计了一种“飘带”式喇叭天线,用两根弯曲的窄带代替了喇叭天线的上板,并系统地对“飘带”式喇叭天线的参数进行了分析研究,拓展了天线的低频性能,得出了一组参数优化结果。
　　
　　1 理论分析
　　
　　1.1 TEM喇叭天线的理论分析
　　本文关注的TEM喇叭天线,既包含渐变结构也包含低频补偿结构。将基本TEM喇叭天线中的上下板,用指数曲线形成的曲面代替,使喇叭天线实现阻抗匹配,将同轴线中传输的电磁波辐射到喇叭天线以外,可以实现超宽带的目的。同时,利用电流只分布在喇叭上板边缘的特点[13],将整个上板用上述曲面的两个边缘代替,形成两条“飘带”,这样的设计大大降低了天线的加工成本和加工难度,有利于实现天线的轻量化,而对于天线端口参数的影响可以通过“飘带”的宽度来调整。
　　低频补偿结构是通过在TEM喇叭天线的上、下部以及后部加载导体面来实现的,被视为磁偶极子[14],主要作用是拓展天线在低频的辐射性能。将同轴线的外导体直接与背板相连,而喇叭天线的下板也通过底部导体板与背板相连,这种设计结构在大幅改变TEM喇叭天线低频辐射性能的同时,对于天线的高频性能影响不大[15]。
　　1.2 TEM喇叭天线的模型设计
　　本文设计的喇叭天线模型如图2所示,其中上板是两根“飘带”,“飘带”窄端接同轴线内径,同轴线内半径为5 mm,“飘带”是依据指数曲线渐变的且关于y,z面对称,同时宽度随着“飘带”的增长有所增加。下板同样是由指数曲线渐变而成的,但是为了降低天线的整体尺寸,在对天线端口参数影响不大的情况下,采用了与上板不同的曲率半径。底板和背板的导体,与喇叭的上、下板构成磁偶极子,对该喇叭天线起到低频补偿的作用。背板与同轴线的外径相连接,其高度对于天线性能的整体影响不大,可利用降低背板高度的方法,实现更轻量化的目的。
　　图2 TEM喇叭天线模型
　　利用Ansoft HFSS仿真软件,对上述模型进行建模仿真,并将模型中重要物理结构的尺寸用参数表示,“飘带”在y方向的投影长度为LP(以同轴线内芯的中心作为原点);“飘带”的(终端)宽度为W;喇叭下板在y方向的投影长度为L,频率范围是50 MHz～1.2 GHz。通过比较不同参数对输入端口驻波的影响,可以优化得出“飘带”式喇叭天线的最终尺寸。
　　
　　2 数值分析
　　
　　2.1 “飘带”的投影长度LP
　　“飘带”的投影长度是指其在y方向的长度,高度z是以y为变量指数变化的,当指数曲线的其他参数不变时,投影长度LP是“飘带”结构的惟一变量,图3中比较了上述前提下LP对于“飘带”式喇叭天线端口参数的影响。
　　图3 参数LP对驻波(VSWR)的影响
　　从图3中的驻波结果来看,显然LP的值直接影响了“飘带”式喇叭天线的低频性能,并且起到了非常重要的作用,是扩展天线低频性能所需考虑的主要参数。当LP=35 cm时,天线的低频性能最差,端口的能量反射很大;当LP=44.3 cm时,低频反射最小。由此可知,在指数曲线变化规律和参数LP的共同作用下,“飘带”很好地实现了阻抗匹配,有效地降低了能量的反射,将大部分能量辐射出去。而LP=44.3 cm是投影长度最长的情况,从整体上增加了天线的物理尺寸,有利于提高天线的低频利用率。
　　
　　2.2 “飘带”的宽度W
　　依据TEM喇叭天线的结构特点,电流仅仅分布在喇叭上、下板的边缘[13],在不影响天线其他性能的情况下,改变“飘带”的宽度,可以兼顾天线辐射性能和天线轻量化设计的要求。“飘带”终端宽度对于端口参数的影响,如图4所示,结果显示,三条曲线有着相同的变化趋势,“飘带”上的电流分布也大致相同,电流主要集中在边缘部分,距离边缘越远,分布的电流就越小。如果“飘带”过窄,就会切割一小部分电流,引起能量的反射。文献[13]中提及,如果用线框代替面板,辐射波的幅度会减小10%左右。为了尽量减小这种损失,终端宽度W=11 cm更好地兼顾了天线的辐射和实际重量。
　　图4 参数W对VSWR的影响
　　2.3 “飘带”式喇叭天线下板对天线性能的影响
　　“飘带”式喇叭天线的下板也是由指数曲线渐变而成的,通过底板导体与背板相连,是一种低频补偿结构,同样是用以降低低频反射的。在高频频段,由于TEM喇叭天线的辐射能量主要集中在上板,所以下板对于天线的端口参数影响略小。
　　图5 参数L对VSWR的影响
　　图5给出了下板长度和端口参数之间的对应关系。可见,下板长度对于天线的影响偏小,但也起到了一定的作用。由图中可以看出,L过小(L=20 cm时),在0.5 GHz,0.7 GHz和1.2 GHz附近都引起了一定的反射,天线的辐射性能降低;而L过大(L=40 cm时),在0.33 GHz时也造成了驻波的升高。整体对比三种情况下的曲线结果,其有着类似的变化趋势,在0.33 GHz,0.5 GHz,0.7 GHz和1.03 GHz附近,都出现了波峰,说明这与天线的整体结构有关,下板的长度只能在一定程度上改善天线的辐射性能。
　　综合以上参数的分析结果,对“飘带”式喇叭天线模型进行优化,当LP=44.5 cm,W=10 cm,L=35 cm时,天线的物理尺寸为45 cm×40 cm×75 cm,在VSWR≤3的情况下,能够实现80 MHz~2.9 GHz的超宽带目标如图6所示。当f=0.5 GHz时,最大增益在75°;当f=1.8 GHz时的最大增益在50°,如图7所示。
　　图6 参数优化后的驻波
　　
　　3 结 语
　　
　　采用了一种“飘带”式结构设计,替代了基本TEM喇叭模型中的上板。通过对模型的物理结构进行参数设置,分析了各个参数对天线性能的影响,优化了天线的辐射性能,进一步拓宽了“飘带”式喇叭天线的低频频段,实现了超宽带设计。同时,模型中的“飘带”、下板和背板结构都尽可能地采取小型化、轻量化设计,在很大程度上减少了加工成本和加工难度,提高了天线的实用性,最后,给出了一组参数优化结果。
　　图7 参数优化后的增益
　　需要指出的是,根据设计指标,当天线的VSWR≤3时,就可以满足实际使用。从这个意义上讲,该天线在低频频段能很好地完成设计要求。
　　
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