超宽带喇叭天线电磁仿真与教学实验研究

宋立众, 丁　畅, 刘尚吉, 王永建

(1. 哈尔滨工业大学(威海) 信息与电气工程学院, 山东 威海　264209;2. 中国航空工业集团公司济南特种结构研究所 高性能电磁窗航空科技重点实验室, 山东 济南　250023;3. 国家计算机网络应急技术处理协调中心, 北京　100029)



超宽带喇叭天线电磁仿真与教学实验研究

宋立众1, 丁畅1, 刘尚吉2, 王永建3

(1. 哈尔滨工业大学(威海) 信息与电气工程学院, 山东 威海264209;2. 中国航空工业集团公司济南特种结构研究所 高性能电磁窗航空科技重点实验室, 山东 济南250023;3. 国家计算机网络应急技术处理协调中心, 北京100029)

以科研项目中的实验测量系统研制为背景,结合实际的教学目标,开展了宽带加脊喇叭天线的结构设计和实验研究。基于超宽带加脊喇叭天线的原理和系统的工作频率等技术指标要求,设计了具体的宽带喇叭天线的结构,采用全波电磁仿真软件进行参数优化；对加工的宽带喇叭天线进行了性能测试。结果表明，在2～4 GHz的阻抗带宽内驻波比小于2,增益大于8 dB,方向图具有宽波束性能,交叉极化电平低于-30 dB,满足实际科研项目的需要。通过该教学和科研相结合的教学实践,提高了教学效果,也为实际科研项目的开展发挥了重要的作用。

超宽带天线； 教学实验； 电磁仿真； 交叉极化

项目驱动教学模式是本科专业课程教学改革的重要内容之一,具有教学方法和教学内容上的创新性。微波技术与天线课程是电磁场与无线技术专业的专业课程之一,占有重要地位。微波技术与天线课程的特点是既有很深的基础理论知识,同时又与工程实践密切联系,具有很强的工程实践性。近年来,微波技术与天线学科快速发展,各种新的理论和技术不断出现,微波器件与电路的设计方法也发生了重要的变化,让本专业学生有机会接触实际的工程实践对于提高学生的学习兴趣和实际工程能力的提高具有重要的作用。

1　基于项目驱动的宽带喇叭天线研制的实践教学过程

在项目驱动教学模式中,学生在掌握课堂教学中的理论知识的基础上,参与指导教师的超宽带加脊喇叭天线的科研工作；根据教学环节的教学内容以及科研项目的任务要求,提出教学设计目标和任务；学生在掌握基本的电磁仿真和设计方法的基础上和指导教师一起完成项目的设计工作,进行相应的元件器的加工和测试,并将其应用在实际的科研项目中。本文基于该教学模式,开展了超宽带加脊喇叭天线的实践教学活动,进行了教学任务的提出、天线的设计与实现等教学环节的实践,达到了预期的教学目标。该实践教学活动可同时适用于本专业本科学生和研究生的实践教学环节。本文讨论的超宽带加脊喇叭天线的教学过程如图1表示。

图1　基于宽带喇叭天线研制的实践教学过程

加脊喇叭天线是一种常用的超宽带天线类型[1-6],它具有辐射效率高、交叉极化电平低、方向图形状理想和适合于加工实现等优点[7-12]。同时,加脊喇叭天线适合于做成单极化或者双极化的工作模式,在交叉极化电平和端口隔离度等方面均具有优越性[13-16]。本文根据科研项目中对发射天线提出的宽波束、宽频带和低交叉极化电平的要求,采用加脊喇叭天线作为实现方案。基于宽带加脊喇叭天线的基本原理,本文首先介绍了超宽带加脊喇叭天线的结构,然后给出了具体的天线辐射性能的仿真结果,最后,采用机械加工方法制作了一款天线原理样机,在微波暗室中进行了该天线的辐射性能的测试,测试结果达到了预期的要求,适合于实际的工程应用。

2　超宽带加脊喇叭天线的基本结构

喇叭天线是一种基本的面天线形式,具有结构简单和辐射特性好的特点。超宽带喇叭设计的基本方法是在喇叭的波导段和喇叭张开部分加入脊结构,称之为加脊喇叭天线。加脊喇叭天线的结构(见图2)包括喇叭段、脊结构、加脊波导段、直波导段和馈电结构。加脊喇叭天线的重要任务之一是设计出满足要求的脊波导的结构和喇叭内脊曲线的形式,最终实现宽带的阻抗匹配和辐射方向图性能，完成天线结构的设计。直波导滤除脊波导激起的高次模,起着展宽喇叭工作带宽的作用[1,17]。本文采用全波电磁仿真软件对该天线结构进行参数化建模和性能优化,最终确定天线的结构。本文中加脊喇叭天线的脊指数曲线表达设为

(1)

式中,r取0.04,常数a和c的表达式为:

(2)

(3)

此处,x1为馈电处两个脊之间的间距,b为喇叭上端口面的窄边的长度。根据仿真结果,这里取x1=0.8mm,b=103.5mm。本文设计的喇叭天线的模型见图2。

图2　加脊喇叭天线结构图

在加脊喇叭天线的设计中,两个脊的边缘采用切角处理,在加脊波导段采用了渐变结构,以改善输入端的电压驻波比。采用同轴探针直接馈电,结构简单,输出端为SMA接头形式。本天线的前视图和俯视图如图3所示。

图3　加脊喇叭天线的前视图和俯视图

3　超宽带加脊喇叭天线的电磁仿真结果及分析

本文设计的加脊喇叭天线的电压驻波比的仿真结果如图4所示,可以看出,该天线在2～6 GHz范围内的电压驻波比小于2,满足设计要求。

图4　加脊喇叭天线的VSWR仿真结果

本文设计的加脊喇叭天线在2、3、4 GHz时的辐射方向图分别如图5、图6和图7所示,在每一幅图中分别给出了在xoz面(H面)和yoz面(E面)的辐射增益方向图,可以看出,该天线方向图形状较为理想,后瓣较小,适合于实验中使用。

图5　频率为2 GHz时加脊喇叭天线的增益方向图仿真结果

图6　频率为3 GHz时加脊喇叭天线的增益方向图仿真结果

图7　频率为4 GHz时加脊喇叭天线的增益方向图仿真结果

本文设计的加脊喇叭天线在2、3、4 GHz时的交叉极化电平的方向图仿真结果分别如图8、图9和图10所示,在每一幅图中分别给出了在xoz面(H面)和yoz面(E面)的交叉极化电平的方向图,可以看出,该天线的交叉极化电平很低,可以满足本项目实验的要求。

图8　频率为2 GHz时加脊喇叭天线的交叉极化电平方向图仿真结果

图9　频率为3 GHz时加脊喇叭天线的交叉极化电平方向图仿真结果

图10　频率为4 GHz时加脊喇叭天线的交叉极化电平方向图仿真结果

对上述仿真得到的辐射方向图特性进行统计分析,得到的增益随着频率变化的特性如图11所示,在xoz面(H面)和yoz面(E面)的波束宽度随着频率的变化特性如图12所示。可以看出,随着频率的升高,加脊喇叭天线的增益呈现上升的趋势,波束宽度随之变窄。

图11　加脊喇叭天线的增益随着频率变化的特性

4　超宽带加脊喇叭天线的测试结果

对设计的超宽带加脊喇叭天线进行了测试,天线实物照片见图13。采用矢量网络分析仪对天线的输入端的电压驻波比(VSWR)进行测试,测试结果见图14。从图14的VSWR测试结果可以看出,在2～4 GHz整个宽频带范围内,VSWR小于2,满足设计要求。图15和图16分别为天线在2、3、4 GHz频点时在H面和E平面归一化方向图测试结果,可以看出,该天线形成了较好的方向图,交叉极化电平较低,适合实际应用。由于天线加工误差和测试误差等原因,本天线的方向图有起伏现象和略微的不对称性；测试安装支架的定位误差也会引起主波束发生一定偏移。

5　结语

具有良好的交叉极化特性的超宽带天线是某些科研项目中的常用实验设备之一。本文以科研项目中研究自制测试设备为背景,将科研项目引入到微波技术天线课程的实践教学中,指导学生完成了超宽带双极化加脊喇叭天线的设计、电磁仿真和性能测试工作。通过一整套具体的科研活动,学生的实践能力和对专业知识的掌握水平显著提高,发挥了科研项目在专业课程教学中的作用,教学效果很好。本文研制的喇叭天线在技术指标等方面,达到了预期的目标,可应用于实际的微波电磁系统的实验测试工作。本文的研究成果可以为该天线的某些实际工程应用提供技术参考。

图12　波束宽度随频率变化曲线

图16　超宽带加脊喇叭天线的E平面归一化辐射方向图仿真结果

References)

[1] Jacobs B, Odendaal J W. An Improved Design for a 1～18 GHz Double-Ridged Guide Horn Antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2012,60(9):4110-4118.

[2] Jacobs O B, Odendaal J W, Joubert J. Quad-Ridge Horn Antenna With Elliptically Shaped Sidewalls[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013,61(6):2948-2955.

[3] Scarborough C P, Wu Qi, Werner D H, et al. Demonstration of an Octave-Bandwidth Negligible-Loss Metamaterial Horn Antenna for Satellite Applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013,61(3):1081-1088.

[4] Morgan M A, Boyd Tod A. 10-100GHz Double-Ridged Horn Antenna and Coax Launcher[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2015,63(8):3417-3421.

[5] 高喜,李思敏,刘扬清,等. 宽带、双极化四脊喇叭馈源研究[J].电波科学学报,2013,28(2):337-340.

[6] Bruns C, Leuchtmann P, Vahldieck R. Analysis and Simulation of a 1～18-GHz Broadband Double-Ridged Horn Antenna[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2003,45(1):55-60.

[7] Saeed Iftakhar Latif,Daniel Flores-Tapia,Stephen Pistorius, et al. Design and performance analysis of the miniaturised water-filled double-ridged horn antenna for active microwave imaging applications[J]. IET Microwaves,Antennas & Propagation,2015,9(11):1173-1178.

[8] 王迪,李正军. 0.8～2.5 GHz双极化四脊圆锥喇叭天线设计[J].现代电子技术,2013,36(11):82-84,88.

[9] 毛岫. 500 M～2 GHz高性能双脊喇叭天线的设计及仿真[J]. 电子测量技术,2007,30(11):78-82.

[10] 刘密歌,张麟兮. 基于HFSS的双脊喇叭天线的设计与仿真[J]. 电子测量技术,2007,30(7):141-145.

[11] 丁晓磊. 高效宽带喇叭天线的设计[J]. 遥测遥控,2012,33(2):12-14,18.

[12] 翁呈祥,高玉良,许明,等. 超宽带双脊喇叭天线的设计[J]. 压电与声光,2011,33(2):336-338.

[13] 杨康,徐勤. 宽带天线设计中双脊波导的研究[J]. 电子元件与材料,2015,34(3):38-41.

[14] 李栋,杜彪,伍洋. 一种高效率的四脊喇叭馈源. 现代雷达,2015,37(3):50-54.

[15] 邵余峰. 宽带加脊喇叭天线的简化设计[J]. 现代雷达,2004,26(5):65-67.

[16] Ahmet Serdar Turk, Ahmet Kenan Keskin. Partially Dielectric-Loaded Ridged Horn Antenna Design for Ultrawideband Gain and Radiation Performance Enhancement[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2012,11:921-924.

[17] 王向晖,蒋延生,汪文秉.一种新型超宽带喇叭天线的研究[J].微波学报,2005,21(3):22-27.

Research on electromagnetic simulation and teaching experiment with an ultra wide band horn antenna

Song Lizhong1, Ding Chang1, Liu Shangji2, Wang Yongjian3

(1. School of Information and Electrical Engineering,Harbin Institute of Technology at Weihai,Weihai,264209, China;2. The Research Institute for Special Structures of Aeronautical Composite AVIC,The Aeronautical Science Key Lab for High Performance Electromagnetic Windows,Ji’nan 250023, China; 3. National Computer Network Emergency Response Technical, Coordination Center of China,Beijing 100029,China)

Taking the measurement system research background, considering the actual teaching goal,the structure design and experiment research of a wide band ridge-loaded horn antenna was carried out. According to the working principle of the ultra wide band (UWB) ridge-loaded horn antenna and technical requirements of designed system such as the working frequency,the specific structure of UWB horn antenna was designed and the parameters of the designed horn were optimized by the electromagnetic simulation. The working performances of the fabricated UWB horn antenna were measured. The measurement results show that the voltage standing wave ratio(VSWR) of the fabricated horn antenna is lower than 2 and the gains are higher than 8 dB within the impedance bandwidth from 2GHz to 4GHz. The radiation pattern has wide beam width and the cross polarization level is lower than -30 dB. The performance indexes of the designed UWB antenna can satisfy the requirements of the project. The teaching effect can be improved by use of the teaching practice combined with the teaching and scientific research. At the same time,the research work also plays an important role in the practical scientific research project.

wide band antenna； teaching experiment; ultra electromagnetic simulation; cross polarization

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.010

2015-12-04修改日期：2016-01-26

哈尔滨工业大学(威海)校级教学研究项目(ITDA10002104);国家科技重大专项(2014ZX03003001-004);航空科学基金项目(20131837001);国家自然科学基金面上项目(61271118)

宋立众(1975—)，男，辽宁沈阳，教授，博士生导师，研究方向为天线技术、电磁场与微波技术、雷达技术.

E-mail:songlizhong@hitwh.edu.cn

TN820;G642.0

A

1002-4956(2016)6-0031-07