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HFSS设计双脊喇叭天线之路——天线结构与参数设计

时间：2021-03-19 18:59:59

超宽带双脊喇叭天线设计——天线结构与参数设计

这是本人在闲时，结合以往设计经验和参考前人的工作，设计了超宽带的双脊喇叭天线，这篇文章不是进行知识补充，而是主要针对设计时的流程以及可能遇到的问题进行介绍，算是给大家提前避避雷，希望能对大家有所帮助。

文章目录

超宽带双脊喇叭天线设计——天线结构与参数设计一、设计目标二、天线参数设计1.天线结构2.天线尺寸（1）天线口径设计（2）波导设计（3）脊曲线设计（4）同轴馈电设计总结参考文献

一、设计目标

超宽带接收天线设计目标：

频带：1GHz-18GHz频带内沿喇叭轴方向保持单一主瓣模式阻抗为50Ω采用线性极化方式VSWR为3:1最大值采用同轴馈电天线增益在频带内逐渐增大，最终稳定为15dBi上下

要设计天线，就需要了解天线工作特性的电参数，这里不展开介绍天线的电参数，小伙伴们可以查阅有关天线的书籍进行知识补充。

二、天线参数设计

1.天线结构

根据天线设计目标，超宽带天线以它优越的宽带特性，已在卫星通信、卫星导航、指挥控制系统、多普勒及其它雷达等领域得到了广泛的应用。因此超宽带天线的设计也越来越受到人们的重视，新形式和新性能的超宽带天线不断涌现，目前最常用的超宽带天线有偶极子天线、双锥天线、TEM喇叭天线、槽线天线、螺旋天线、对数周期天线和加脊喇叭天线等，它们可单独用作辐射器，或用作天线阵元，反射天线的一级发射源等。

本次设计结合脊波导具有宽频带的特点，最终决定设计一个频率范围在1~18GHz的双脊喇叭天线。

在设计超宽带双脊喇叭天线时，主要考虑如下几个问题：

（1）在宽频带内要求双脊喇叭天线的波束基本保持不变，因此喇叭段不仅要采用大张角，还要对喇叭段采取加脊处理，且脊必须从馈电波导平滑延伸至口径面，以保证馈电结构的宽带特点。

（2）在宽频带内保证驻波比VSWR<3:1，即需要在宽频带上实现良好的匹配，应采取以下措施：

1) 脊结构和喇叭颈部过渡区的设计必须保证喇叭的宽带匹配，并减小高次模的激励；

2) 尽量减少口面处的反射。

（3）保证激励与喇叭的匹配。

基于以上分析，本设计采用常见的双脊喇叭天线，沿对称面剖分截面示意图如图1所示。

图1 双脊喇叭天线的截面示意图

A-B段是波导段，该段分为两个部分，从短路板到馈电段是直波导，作用是滤除高次模，它的长度应小于最低工作波长的一半；从馈电段到喇叭颈部B处是双脊波导段（PS: 不懂的小伙伴建议去补一下波导的知识，不然可能会像我一样刚开始把脊波导和脊的概念混了。。。），作用是降低主模传输的截止频率，并且可以改善馈电与喇叭段的匹配。B-C段是喇叭段，喇叭的长度应该大于最低工作波长的一半，以保证阻抗转换过程中不激起高次模。喇叭口面的大小由天线增益和口面径相差的要求来确定，脊的曲线根据匹配原则进行设计。

2.天线尺寸

（1）天线口径设计

根据增益及口径面处相位的要求（具体计算方式这里不展开介绍，很多论文中都有介绍，大家可以去详细看），喇叭段C处口径面宽边取240mm，窄边取139mm。根据喇叭长度大于最低工作波长的要求，喇叭长度取为152mm。

（2）波导设计

1）双脊波导设计

确定双脊波导段截面尺寸的大小，双脊波导的结构图和截面示意图如图2所示。

图1 双脊波导的结构图和截面示意图双脊波导尺寸的设计是参考了多篇文章，由双脊波导的尺寸可以计算出波导的截止波长、主模特征阻抗、主模工作带宽，参考文献根据双脊波导奇模截止波长方程，利用数值解法所得出的以b/a为定值，a1/a为变量，设b/a=0.8，b1/b=0.03，a1/a=0.1。结合各次模的截止频率和波长，取波导宽度a=86mm，波导高度b=68.8mm，脊宽a1=8.6mm，脊间距b1=2mm。

2）直波导设计

馈电探针距短路板的距离小于最高工作频率的半个波长，所以取直波导的长度h=8.5mm。因此加上同轴馈电1.5mm的直径，短路板到馈电中心的距离是s=10mm，在实际建模中需要给同轴馈电一层金属外层（或将同轴线外层设置为理想导体），因此会多0.1mm的厚度，最后s=10.1mm。