一种新型微带馈电的圆锥喇叭天线设计

张文辉，李 萍，安合志，王蕾蕾

(1.武警工程大学研究生大队，陕西西安 710086;2.武警工程大学信息工程系，陕西西安 710086)

卫星地面通信系统天线一般采用抛物面天线，而抛物面天线由于采用刚性板块，因而具有重量大、成本高、机动灵活性差的缺点。文献［1］提出用一种Ku波段的微带阵列天线代替抛物面天线，但微带天线单元由于工艺限制，增益较低、损耗较大。

喇叭天线由于具有较大的增益和良好的方向性而得到了广泛的应用。然而，传统的喇叭天线体积庞大，结构复杂，而且采用波导馈电的形式，使得传统的喇叭天线难以组阵。近年来，一些喇叭天线采用微带馈电的方式［2－4］，使得喇叭天线便于组阵。文中提出了一种新型微带馈电喇叭天线，以辐射层为中心的波导喇叭孔的金属波导，通过双层正交微带馈电实现双极化，最下层为金属反射腔，用来提高喇叭天线的增益。利用HFSS软件仿真得到该双极化喇叭天线两个端口的天线增益＞8 dB，在Ku波段上行(14.0～14.5 GHz)和下行(12.25～12.75 GHz)的反射系数VSWR均＜2，因此相对于传统的微带天线，更适合作为卫星地面通信系统的天线单元。

1 微带馈电的双极化喇叭天线的结构

该卫星通信波导喇叭天线单元为3层结构，如图1所示。最上层为辐射层，中间层为馈电层，下层为反射腔。辐射层为长方体的理想波导金属材料，长和宽均为21 mm，高为hh，其中心开一圆锥喇叭形状的口径孔，该圆锥喇叭底面直径为Dc，顶面直径为Dh，高为hh［5］。馈电层改变传统喇叭天线的波导馈电形式，而采用带状线馈电的形式，即通过介质基板中的三角形带状线进行馈电，如图2所示。介质基板是Rogers RT/duriod5880，介电常数εr为2.22，损耗角正切值为0.000 9，介质基板的厚度h1为0.508 mm;三角形带状线的长度为L1，宽度为W1，输入阻抗为100Ω。馈电层为上下两层，每层的厚度均为h1，通过两个正交的带状线馈电来实现双极化的功能。为提高该波导喇叭天线的增益和辐射性能，最下层为一反射腔，其结构也是长方体的理想波导金属材料，长和宽均为Dh，高为H，在其中心开一圆柱形孔，直径与圆锥喇叭的底面直径均为 Dc，孔深为 hc。天线结构的初始参数:Dc=14.2 mm，Dh=16 mm，hh=11 mm，hc=6.8 mm，L1=4.6 mm，W1=0.25 mm，h1=0.508 mm，H=8.2 mm。

2 微带馈电的喇叭天线的参数优化

采用Ansoft HFSS 12软件对该喇叭天线进行建模仿真，在仿真过程，利用HFSS提供的优化计算功能，依次对该喇叭天线的反射腔深度hc，喇叭高度hh和喇叭天线的底面直径Dc进行优化仿真，以得到天线最佳辐射性能。由于该喇叭天线是双极化天线，有两个馈电端口，为分析方便，在对该喇叭结构参数优化时，只仿真了一个馈电端口的模型。同时，考察某参数变化对天线性能的影响时，保持天线其他参数不变。

(1)反射腔对该喇叭天线增益和反射系数的影响。为研究反射腔对该喇叭天线增益和反射系数的影响，利用HFSS进行对比仿真试验。首先对设计的加反射腔的喇叭天线进行仿真，其次对不加反射腔的喇叭天线进行仿真。仿真得到的天线增益对比曲线如图3所示，当不加反射腔时，天线的后向波束较大，造成了天线在主辐射方向增益较小，只有1.8 dB，而后向波束增益却达到了6.1 dB;而加反射腔之后，天线的后向辐射得到了较大的抑制，后向波束的增益为－5.8 dB，天线在主辐射方向上的增益为8.4 dB，说明加入反射腔之后能将背向辐射的电磁波反射，从而有效地抑制背向辐射，提高天线的主辐射方向的增益;同时得到天线反射系数的对比曲线，如图4所示，当加入反射腔之后，该喇叭天线的反射系数显著降低，同时说明加入反射腔之后对该喇叭天线的反射系数也有较好的作用。

(2)反射腔中圆柱孔的深度hc对天线反射系数的影响。取反射腔的深度hc分别为4.8 mm，5.8 mm，6.8 mm，7.8 mm，其他参数保持不变。得到了天线的反射系数随圆柱孔深度hc的增益变化曲线如图5所示。当反射腔圆柱孔的深度hc逐渐增大时，该喇叭天线在VSWR＜2的带宽逐渐增大，当hc为4.8 mm时，天线在VSWR＜2的带宽只有13～14.4 GHz，当hc为7.8 mm时，天线在 VSWR＜2的带宽逐渐增大到12.25～15GHz，覆盖了Ku波段卫星通信的上行和下行频段，说明反射腔深度对天线的反射系数有较大的影响，当反射腔深度hc为7.8 mm时，天线的反射性能达到最好。

图5 反射腔的深度hc对天线反射系数的影响

(3)圆锥喇叭的高度hh对天线增益和反射系数的影响。取反射腔的深度hc为7.8 mm，其他参数保持不变，取圆锥喇叭的高度 hh分别为11 mm，13 mm，15 mm，利用HFSS软件仿真得到天线的反射系数随着喇叭口高度hh的变化曲线，如图6所示。当喇叭口的高度逐渐增大时，仿真得到的天线的反射系数曲线逐渐向左移动。当hh=11 mm时，该喇叭天线在VSWR＜2的带宽为12.8～15 GHz，当hh=15 mm时，该喇叭天线在VSWR＜2的带宽为12.2～15 GHz，说明圆锥喇叭的高度对天线的反射系数有一定的影响，当hh=15 mm时，天线的反射系数达到最优。

(4)圆锥喇叭底面直径Dc对天线反射系数的影响。取反射腔的深度hc为7.8 mm，圆锥喇叭的高度hh为15 mm，其他参数保持不变，取圆锥喇叭的底面直径Dc分别为13.8 mm，14.2 mm，14.6 mm，15 mm，利用 HFSS仿真软件得到该喇叭天线的反射系数随着喇叭底面直径Dc的变化曲线，如图7所示。当喇叭天线的底面直径逐渐增大时，反射系数在Ku波段上行频段处(14.0～14.5 GHz)几乎不变，但在Ku波段下行频段处(12.25～12.75 GHz)反射系数曲线逐渐向左移动，当Dc=13.8 mm时，天线在VSWR＜2的带宽为13～14.7 GHz，当Dc=15 mm时，天线VSWR＜2的带宽为12.15～15 GHz。说明圆锥喇叭底面直径Dc对天线反射系数有较大的影响，当Dc为15 mm时，天线的反射性能达到最好。

图6 圆锥喇叭的高度hh对天线反射系数的影响

图7 圆锥喇叭底面直径Dc对天线反射系数的影响

3 双极化喇叭天线的仿真结果

利用HFSS进行优化之后，天线的结构参数分别为:圆锥喇叭的底面直径Dc=15 mm;圆锥喇叭的高度hh=15 mm;反射腔的深度hc=7.8 mm，其他参数保持不变。利用优化后的参数对该双极化喇叭天线重新进行仿真，得到双极化喇叭天线两个端口的反射系数曲线，如图8所示。两个端口在Ku波段上行(14.0～14.5 GHz)和下行(12.25～12.75 GHz)的反射系数VSWR均＜2，说明该双极化喇叭天线具有良好的反射性能，可以作为卫星通信自适应天线单元。

分别取Ku波段下行频段(12.25～12.75 GHz)和上行频段(14.0～14.5 GHz)的中心频率f1(12.5 GHz)和f2(14.25 GHz)，利用HFSS软件进行仿真得到双极化的两个端口在频率为f1和f2时在XOZ面和YOZ面的辐射方向图，如图9和图10所示。当频率为f1时，端口1在主辐射方向的增益为8.35 dB，端口2在主辐射方向的增益为8 dB;当频率为f2时，端口1在主辐射方向的增益为8.9 dB，端口2在主辐射方向的增益为8.37 dB;由于两个端口的相互影响，在同一频率下端口2的增益比端口1的增益低0.5 dB。当频率为f1时，端口1的半功率波瓣宽度为34°×36°，端口2的半功率波瓣宽度为44°×34°;当频率为f2时，端口1的半功率波瓣宽度为28°×36°，端口2 的半功率波瓣宽度为40°×35°。

图8 喇叭天线两个端口的反射系数曲线

图9 端口1辐射方向增益图

4 结束语

提出了一种微带馈电的双极化喇叭天线。该喇叭天线的辐射层为金属波导材料，中心为一圆锥喇叭孔;馈电层为双层正交的三角形带状线馈电结构，用于实现双极化，最下层为金属反射腔用于抑制背向辐射，提高天线增益。HFSS仿真结果表明，该喇叭天线在12～15 GHz的频率范围内，反射系数VSWR均＜2，两个端口的增益均＞8 dB。该喇叭天线体积小，结构简单，增益高，采用微带馈电的形式，相对于传统的微带天线，更适合作为Ku波段卫星地面通信系统的天线单元。

图10 端口2辐射方向增益图

［1］OUYANG JUN.A circularly polarized switched－ beam antenna array［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，10(3):1325 －1328.

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［3］ONONCHIMEG S，OTGONBAATAR G.A new dual－ polarized horn antenna excited by a gap － fed square patch［J］.Electromagnetic Research Letters，2011，21(4):129－137.

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［5］刘秀祥，雷振亚，王永光.一种改进型超宽带喇叭天线［J］. 电子科技，2011，24(8):90－92.