电子技术Electronic Technology
电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering
1 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Ansoft
HFSS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。
本文设计中，结合直波导段的参数建立同轴脊波导变换的三维仿真
模型，对馈电点到短路面的距离、短路段的脊高等参数进行优化，
得到最优尺寸。
喇叭段尺寸的确定与常规喇叭设计相似，为了避免阻抗变换过
程中激起高次模，喇叭的长度应大于天线最低工作波长的一半。当
喇叭段的阻抗满足下式时，同轴馈电点阻抗 50Ω可较好的过渡到
喇叭口自由空间阻抗 377Ω。
1～5 GHz超宽带双脊喇叭天线的设计
王菲
电触点（中国电子科技集团公司第二十研究所 陕西省西安市 710068）
z0=10∞e kx，0≤x≤l/2
z0=377+z0∞(1-e k(1-x))，l/2≤x≤l
其中，l为喇叭段长度，k为常数（喇叭两端阻抗的平均值即
为喇叭中心阻抗）。因此，喇叭段的双脊结构，其形状曲线一般也
为指数形式[4,5]。以下曲线公式中，附加的线性项可拓宽喇叭低频
带宽，且可缩短喇叭段的轴长。
y=Ae kx+C
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核桃剥壳机与常规双脊喇叭结构相比，本设计中喇叭天线部分去除了喇叭
的窄壁部分，其作用是为了减小天线尺寸、降低天线重量、降低驻
波比、改善高频方向图波瓣裂变的情况。
3 脊喇叭天线的设计及计算结果
摘 要：本文设计了一种新型1～5GHz超宽带双脊喇叭天线，通过去除喇叭窄壁部分的设计减小了天线尺寸、展宽了天线带宽，改善了高频方向图波瓣分裂情况。设计过程中，利用Ansoft HFSS电磁仿真软件对天线脊的形状及天线各部分尺寸进行详细优化，确定了1～
5GHz双脊喇叭天线的最终尺寸，对加工出的天线辐射性能进行实测，测试结果和仿真结果基本吻合，整个频带内驻波比
VSWR<2.8。
关键词：
双脊喇叭天线；超宽带；方向图
图1：宽带加脊喇叭天线结构图图2：双脊波导截面图
图3：双脊喇叭天线仿真模型
图4：超宽带双脊喇叭天线实物
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电子技术与软件工程
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基于以上计算及分析，利用电磁仿真软件Ansoft HFSS ，对最初设计模型进行大量仿真优化，最终的双脊喇叭天线最终结构模型如图3所示。
双脊喇叭天线实物如图4所示。天线具体尺寸为：喇叭口面121mm×145mm ，波导段底面79mm×40mm ，波导段长度38mm ，喇叭的轴向长度81.6mm 。天线重量约0.8Kg ，同轴接头为 N-50K 。
静态管理图5为仿真计算的驻波比和实测驻波比对照图，仿真带内驻波最大值为2.72，实测带内最大值为2.8，两者基本相当且驻波曲线基本一致，天线相对带宽达到130%。图6至图9给出了1.18G 、1.33G 、2.9G 、4.3G 四个频点增益的仿真和实测曲线对比图。对比可见，增益的实测结果和仿真结果曲线变化趋势基本一致，但低频增益差异较大。仿真结果是理想状态下得到的，而由于加工误差、天线装配导致的结构缝隙、测试场地反射、环境变化等复杂情况都有可能造成增益的变化，使得实际测试与仿真数据不完全吻合。虽然实测和仿真的结果有一定差异，但均未出现波瓣分裂。4 结论
本文给出了一种超宽带双脊喇叭天线的设计方法，利用Ansoft HFSS 电磁仿真软件进行仿真优化并对加工实物进行测试，仿真和测试结果基本吻合。实测1~5G 全频段内驻波VSWR<2.8；带内增益较高，整个频率范围内增益G>4.53dBi ；且全频段内方向图均未开裂，具有较优的辐射性能。
参考文献
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application to
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[2]廖承恩，陈达章.微波技术基础[M].北京：国防工业出版社,
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管工业大学,2007.
[4]Hopfer S.The desi gn of ridged waveguides. IRE Trans.
Microwave TheoryTech, Vol MIT-3, Oct 1955:20-29.作者简介
建筑装饰材料技术王菲（1985-），女，陕西省渭南市人。硕士研究生学历，工程师。研究方向为天线射频。
(a)
仿真
(b) 测试
图
5：双脊喇叭天线驻波
(a)仿真(a)仿真(a)仿真(a)仿真(b)测试
(b)测试
(b)测试
(b)测试
图6：双脊喇叭天线1.18GHz 俯仰面方向图
图7：双脊喇叭天线1.33GHz 俯仰面方向图
图8：双脊喇叭天线2.9GHz 俯仰面方向图
图9：双脊喇叭天线4.3GHz 俯仰面方向图
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