总第333期 计算机与数字工程
V o l .45 No .7
2017 年第 7 期 C om puter》D ig ita l Engineering
1305
李炜杰李尚生付哲泉邹翰锋(海军航空工程学院烟台264001)
摘要介绍了一种可用于C 、X 、K u 波段的雷达接收系统的双脊喇叭天线，该天线体积小、频带宽且增益高。根据天 线的结构分析了脊波导、喇叭段尺寸及喇叭脊结构曲线的相关性质，给出了天线相关参数的计算方法。仿真结果表明，在 5~18G H z 的带宽内输人回波损耗小于-9d B ，在60出、100出、150出这三个频点上，天线增益均大于1543，且没有明显的主 瓣分裂。 关键词双脊喇叭；脊波导；脊结构曲线；通用；高增益中图分类号 T N 955+.1 D O I ： 10. 3969/j . issn . 1672-9722. 2017. 07. 014
应用集成
A Three-band High-gain Universal Double-ridged Horn Antenna
L I W e ijie L I Shangsheng F U Z h e q u a n Z O U H a n fe ng (N aval Aeronautical Engineering In s titu te , Yantai
264001)
A b s tra c t This paper introduces the double-ridged horn antenna w hich can be used in C , X
, K u -b a n d radar receiving sys tem ,the antenna has sm all volum e , wide frequency bandw idth and high gain . According to the structure of the antenna analysis of the relevant properties of ridge waveguide , horn and horn ridge structure segment size c u rv e , the calculation method of the anten na-related parameters is given . Sim ulation results show that the input return loss is less than -9dB w ith in 5〜18GHz bandw idth , and at 6G H z , 10G H z , 15GHz frequencies , the antenna gain is greater than 15d B , and there is no clear division of the m ain lobe .
K e y W o rd s double ridge h o rn , ridge waveguide , ridge structure cu rve , general , high gain Class N u m b e r T N 955+.1
1引言
某型检测系统的核心部件是主动雷达，为了实
现通用化目标，在检测系统雷达接收机中需要采用 满足带宽需要且增益足够高的天线m 。根据主动 雷达的功能、技术指标和检测流程，确定天线的主 要技术指标如下：1) 工作频段：5G H z ~18G H z ;
2) H 面主瓣宽度：在6G H z 、10G H z 、15G H z 频点上汾。讲2 14。；
3)
天线增益：在6G H z 、10G H z 、15 G H z 频点上
G > 5d B
；
4) 极化方式：垂直极化。
双脊喇叭天线具有超宽带、高增益、大功率、方
向性良好等特点，能较好地满足所需天线的指标要 求121。依据双脊喇叭天线的设计原理，木文利用
电 磁仿真软件设计和仿真了一副三波段通用的高增 益双脊喇叭天线，实现了通用化目标。
2
双脊喇叭天线结构的设计原理和
方法
双脊喇叭天线的结构如图1所示，可以分为波
导段和喇叭段两部分。
波导段采用双脊波导，降低主模传输的截止频 率，以便在高次模出现之前，展宽单模工作的频带 宽度，实现天线宽频特性。
喇叭段分为双脊结构和喇叭部分。双脊结构 的功能是改善馈电端到喇叭口径之间的阻抗匹配。局部镀锡
*收稿日期：017年1月10闩，修回日期：017年2月20日
基金项目：电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室课题(编号:CEM EE 2016G 0201)资助。作者简介：李炜杰，男，硕士研究生，研究方向：目标探测技术。李尚生，男，硕士，教授，研究方
向：目标探测技术 付哲泉，男，博士研究生，研究方向：目标探测技术。邹瀚锋，男，硕士研究生，研究方向：目标探测技术。
1306李炜杰等：一种三波段通用的高增益双脊喇叭天线第45卷
2.1脊波导部分的设计
双脊喇叭天线的双脊波导截面尺寸如图2所示。
体育看台波导中的双脊结构作为不连续结构，对传输的
电磁波会产生影响，除了传输基模T E10外，还会激
励出高次模。在计算过程中，不连续结构可以在合
胸针设计理位置等效为电纳，而当传输的电磁波为基模时，
电纳表现电容特性。单位长度的双脊波导等效电
路可以表示为电容电感的并联形式[3]。等效电路
中电容C由静电电容q和不均匀电容q组成。
单位长度的C，可由下式近似得到：
sa2
l b2
⑴
s是波导中媒质的介电常数，在自由空间中其
等于 8.854 x10-12F/m。
通过文献[4]中介绍的场匹配法，得到不均匀
电容Q主要由阶梯比b2/b i决定:
今 1 c o s h-1〔涔0
-2ln
其中 X=b2,b i。
因此，单位长度的双脊波导电容C为
⑵
sa2
C=w2+C
⑶
等效电路中的电感是由双脊结构两侧的波导
决定的。波导单位长度的电感r可由下式给出：
L = ^(^1—a2)b i(4)
式中#是自由空间磁导率，取值4n x10-7H/m。
由此可得主模的截止频率为
fC
11
2n^ L C
(5)
a2
2Cd
+ -)(
a1- a2)b1
b s
2
相应的截止波长Ac’=y(/c’j^s)，与矩形波导
的截止波长^ = 2a i(a i为波导的宽边长)的比为
义C2〜
a2 + 2C d
b2
b1l f1—、(6)
式(6)可做变换为
兀
C
s a a
a2 + 2Cd
a.
1—(7)
根据式(7)可描绘出双脊波导截止波长（与
波导宽边长a i之比随a^a i变化的曲线。文献[5]
指出，当2b/a1= 0.5时，双脊波导的主模截止频率
A a2
C兀
a s a
2
最低，此时频带最宽且相对功率容量最大，如图3
所示。从图3中可知，不同尺寸的双脊波导的截止
波长与宽边长之比均大于2，即双脊波导的截止波
长（都大于矩形波导的截止波长2a1，由此可得出
结论，在引入双脊结构后，波导的主模截止频率会
出现明显的降低。同理可得2^^^ = 0.5时双脊波
导7^20模的截止波长f与宽边长之比随a2/a i变
化的曲线，如图4所示。
图3波导主模截止波长与波导宽边长之比
要有效地提高单模工作带宽，就需要令主模的
截止波长变长，高次模的截止波长变短[6]。从图3
中可以看出，主模截止波长与宽边长之比的极大值
出现在a2/a i= 0.45附近，但图4显示，模截止
波长与宽边长之比的极小值却出现在a2/a i= 0.2
附近，作综合考虑后决定取a2/a i= 0.25，
令
2017年第7期计算机与数字工程1307
|MX1: 13.4177|
图7天线在6G H z 频点处的增益曲线图
图8天线在10G H z 频点处的增益曲线图
3仿真结果
基于以上喇叭天线的理论分析，利用电磁仿真
软件H F S S ，设计了如图5所示的双脊喇叭天线[11]。
图5双脊喇叭天线仿真模型
得到5G H z 〜18G H z 频带内输入反射系数曲线 (图6)，6G H z 、10G H z 、15G H z 频点上的增益曲线图 (图7〜图9)和15G H z 处三维方向图（图10)。
62/^=0.2，则可以从图3中得到（/^»3.74，从图 4中
得
到
» 0.86。根据天线频带5G H z 〜
18G H z 的要求，求得主模截止波长为< =60m m
Bgain，
他20模截止波长f = 16.7m m 。由此可以求出波 导宽边长度^
e
[16, 19.4]m
m
，于是有波导窄边长
度 2^e [8,9.7]m m
，脊宽长度 a 2e [4,4.85]m
m
，脊 间距长度2^e [1.6,1.94]m m
。综合考虑各项指标
要求，选取双脊波导尺寸为^ = 19.1m
m
，
g
2 = 4.78m
m ，2^ = 8.2m
m
，2办2 = 1.6m
m
。
2.2喇叭段部分的设计
根据双脊矩形波导特性阻抗计算公式[7]可得：
120n
( 8)
a 2
b +2Cd 2 b11 a 10其中，^¥为频率无限大时脊波导的等效阻抗。根 据式(2)可求得2C dA » 8(F /rn )，结合式(8)和双脊 波导尺寸可进一步求得Z e = 77Q 。
喇叭段中的脊结构呈指数曲线变化，从而使阻
抗从脊波导的77Q 变换到喇叭口径处自由空间的 阻抗377Q ，并且保证在整个喇叭内阻抗的平滑过 渡。根据图1可得喇叭段脊结构沿着长度z ，其阻 抗Z ⑷表示为如下形式[8]:
j z
(z ) = Z e y z (0£z £L /2)
[Z (z ) = 377 + Ze ¥[1 -
e k {L -z )] (L /2 £z £L )其中，k 为常数，L 为喇叭段总长。
根据式(9)可得喇叭脊的形状曲线表达如下
y (z ) = Cek z
(10)
上式中的C 可以起到扩展频带宽的作用，通常 由喇叭段与波导段连接处的双脊间距2b 2决定[9]， 有
C = b 2/2
。系数k 可由式（10)确定。喇叭中点
处的阻抗Z L/2可近似为
9)
Z L /2 ■
377 + 77 2
Q (11)
结合式(9〜10)可得近似的阻抗渐变的脊形状
曲线为
y (z ) = 0.8x e 0 018771z
(12)
根据喇叭长度应大于最低工作频率对应波长 的一半(5G H z 对应工作波长为60m m )及喇叭中点 的阻抗为两端阻抗的均值要求[10]，选取喇叭长度 L = 245m m ，根据式（12)可求得喇叭口径宽度 2y (z = L )» 159m m
。为了获得更大的天线增益以
及天线好面上更大的主瓣宽度，选取喇叭口径长
为 280m m 。
£t ^
.0
.0.0
w
h
o
-10
-20(p lo H U F B o )g
p
1308李炜杰等：一种三波段通用的高增益双脊喇叭天线第45卷
dB(GainTotal)
1.7553e+001
1.3983e+001
1.0414e+001
6.8447e+000
3.2754e+000
-2.9387e-001
I-3.8632e+000 -7.4325e+000 -1.1002e+001 -1.4571e+001 -1.8140e+001 -2.1710e+001 -2.5279e+001 -2.8848e+001 -3.2418e+001 -3.5987e+001q o s d, n m
图10天线在15GHz处波束的三维方向图 图6显示，在5G H z〜18G H z频段内，天线输入反 射系数小于-9d B，满足天线对频带宽度的要求[12]。
图7〜图9显示，天线在6G H z、10G H z、15G H z频 点上增益均大于15d B，好面主瓣宽度均大于14°。图10显示，在高频点处天线仍具有良好的方 向性，没有出现明显的主瓣分裂现象。
仿真结果表明，设计的双脊喇叭天线能很好地 满足该主动雷达对天线的指标要求。
4结语
利用双脊喇叭天线的设计原理设计的5G H z〜18G H z宽带的双脊喇叭天线，在整个频段内输入反 射系数均小于-9d B，满足C波段、X波段、K u波段 通用需求，同时在雷达各个波段的常用频点6G H z、10G H z、15G H z上，具有较高增益、较宽主瓣波束以 及良好的方向性。所设计的天线能很好地满足某 型检测系统在检测过程中雷达接收系统的各项指 标要求，且三波段通用，符合微波器件对通用化的 需求。该双脊喇叭天线的设计可以为其他检测系 统各型微波器件的设计作参考。
离心制丸机参考文献
[1]王伟.雷达模拟器系统研制与开发[D].武汉：长江大
学，2012:34-36.
W AN G W e i.The Research and Development of Radar Simulator System[D].W uh a n：Yangtze U n ive rsity,2012：
34-36.
[2]杨康.超宽带双脊喇叭天线的设计方法[D].南京：南京
船舶雷达研究所，2015:24-27.
Y A N G Kang.The design approach of U ltra-W ideband
Double Ridged Horn A ntenna[D].N a n jin g：N anjing in s titute of Marine radar,2015 ：24-27.
[3]吴禄军，王，唐章宏，等.超宽带双脊喇叭天线的仿真
与设计[J].安全与电磁兼容，2013(1)69-73.
W U L u ju n,W A N G Q u n,T A N G Zhanghong,et a l.Sim ulation and Design of ultra-w ideband double-ridged horn an-tenna[j].Safety and Electromagnetic C o m pa tib ility,2013 (l)：69-73.
[4] 赵嘉斐，王学田，王伟.宽带双脊喇叭天线的仿真与设
计[J].微波学报，2014 (6):264-266.
ZH AO J ia fe i,W A N G X u e tia n,W AN G W e i.Simulation
and Design of wideband double-ridged horn antenna[j].
Journal of Microwaves,2014(6)：264-266.
[5] 特尼格尔.超宽带介质加载喇叭天线研究[D].哈尔滨：
哈尔滨工业大学，2014:31-34.
Tengger.U ltra broadband dielectric loaded horn antenna study[D].H a rb in：H arbin Institute of Technology,2014：31-34
[6]A.R.M allahzadeh,A.Im ani.M odified D ouble-R idged A n
tenna for2-18G H z[j].ACES Journal,2010,25(2).
[7]Bourqui J. ,Okoniewski M. ,Fear E.C.Balanced antipo
dal vivaldi antenna w ith dielectric director for n e a r-fie ld
microwave imaging[j].IEEE Trans.Antennas Propagatio n,2010,58 ：2318-2326.
[8]Bennie Jacobs，Johann W.O dendaal，Senior M em ber，et
a l.An Improved Design for a I-IS GHz D ouble-R idged
Guide Horn Antenna[J].IEE E transactions on antennas
and propagation,2012,60(9).
[9]B.Jacobs,J.W.O dendaal,J.Joubert.The effect of manu
facturing and assembling tolerances on the performance of double-ridged horn antennas[J].J.Electromagn.Waves
A p p l.,2010,24(10)：1279-1290.
[10] Ghorbani.M. ，K haleghi.A.Double ridged horn antenna
designs for wideband applications [C]//E le c tric a l engi-
neering(IC E E),2011 ：1-4.
[11] 刘密歌.超宽带双脊喇叭天线的研究与设计[D].西
安：西北工业大学，2007 ：11-15.
L IU M ige.Research and Design of U ltra-W id e b a n d Dou
ble Ridged Horn A ntenna[D].X i9a n：Northwestern Poly
technical U niversity,2007 ：11-15.
[12] Shahpari.M.，Kashani.F. ，H o jja t，A m e ri.H.Novel b i
conical antenna configuretion w ith directive radiation
[J].Journal of electromagnetic waves and applications，2009,23(2-3)：
239-245.
豫公网安备41160202000603
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