一种宽带高增益角锥喇叭天线的设计

胡 广,李仲茂，邱 昕

(中国科学院微电子研究所，北京 100029)

0 引言

众所周知，角锥喇叭天线具有高增益、窄波束、宽频带和低驻波比等特点决定其在目标探测、雷达成像和识别领域得到广泛应用[1]。文献[2]提出了一种应用于77 GHz频段，具有高增益、低旁瓣特性的共馈喇叭阵列天线，但天线结构复杂，实现难度大。文献[3]介绍了一种工作于Ku波段的双线极化角锥喇叭天线仿真设计方法，但没有进行实物加工和测试分析。文献[4]将在角锥喇叭口径面上外置镂空的同心圆柱改善相位分布，提高天线的带内增益。文献[5]在角锥喇叭天线的E面、H面和最大距离差面加载介质透镜提高了天线带内增益，并降低旁瓣电平，但二者均增加了天线实现的复杂度。文献[6]基于介质透镜技术实现了一款工作在W波段的角锥喇叭天线，其具备尺寸小、质量轻、增益高且辐射方向性强等特点。文献[7]介绍了一种应用于5G毫米波通信的双脊喇叭天线，但整个工作频段天线辐射增益波动较大。文献[8]提出了一种工作在X波段的指数形脊加载的宽带圆极化天线，但天线的辐射增益水平较低。文献[9]介绍了一种应用于微波成像的新型紧凑型双脊喇叭天线，但工作频带内驻波比较大。文献[10]给出一种应用X波段宽带双极化赋形抛物盒喇叭天线，该天线实现俯仰面0°～60°的大空域余割赋形波束，带内增益大于19 dB,方位面30°范围内的增益覆盖大于17.5 dB。此外，通过采用其他结构形式的喇叭天线能够达到扩展天线工作带宽和提高带内增益的目的，如采用基于基片集成波导技术的喇叭天线[11]、波纹喇叭[12-13]等。

目前，传统喇叭天线采用波导馈电，通过法兰与其他设备连接，考虑到喇叭天线与毫米波射频电路前端集成及连接问题，本文以传统角锥喇叭结构作为设计基础，采用微带线-对脊鳍线-波导转换器作为天线馈电结构，设计并实现了一款工作在V波段宽带高增益角锥喇叭天线。研究结果表明，天线在宽带工作频率内具有驻波比小、增益高等特点，且全频段内辐射方向图定向性较好，很好地解决了在宽频带范围内回波损耗小和辐射增益高难以同时实现的目标，可广泛应用于宽带通信系统中。

1 设计方法

1.1 微带对脊鳍线波导转换器设计

根据天线理论，喇叭天线是由波导激励的开口喇叭，通常采用波导进行馈电[14]。而本文设计的天线采用微带线馈电形式，故需要采用微带-波导转换器结构，该结构将微带线的TEM模式转换成矩形波导内的主模TE10模，而转换结构性能的优劣直接影响喇叭天线的工作指标。

目前，实现微带到波导过渡转换主要有3种方法：微带线-脊波导-波导线过渡[15]、微带线-探针-波导过渡[16]和微带线-对脊鳍线-波导过渡[17]。综合考虑各种过渡结构，本文设计选择微带线-对脊鳍线-波导过渡方式，该结构具备插入损耗低、回波损耗小、频带宽、结构紧凑和易于后期装配等特点，是一种普遍应用的过渡结构。

考虑到毫米波电路插入损耗较大等因素，本设计介质基板采用RT/duroid 5880(相对介电常数εr=2.22，损耗正切角tanδ=0.000 9),基板厚度h=0.127 mm,覆铜厚度t=0.017 mm，对脊鳍线过渡结构中采用WR-19标准矩形波导。

在工程实际应用中，实现对脊鳍线渐变结构的函数渐变线有很多种，如指数线、抛物线和余弦平方线等。由于余弦平方线加工简单，成本较低，故本文方案采用余弦平方过渡方式实现对脊鳍线渐变结构。根据文献[18]可知,余弦平方过渡需满足:

W(z)=(b/2+Wf/2)sin2((πz)/(2L))，0≤z≤L,

(1)

式中，Wf为50 Ω微带线的宽度；z为鳍线传输线的纵向坐标；b为波导窄边宽度；L为鳍线渐变线的长度。根据渐变曲线计算公式在介质基板上绘制成闭合的曲线，再将曲线平面外拉伸0.017 mm形成对脊鳍线结构体，电路如图1所示。

(a)正面电路

由于微带-波导转换器工作在V波段，其电尺寸很小，对加工精度的要求很高。在进行电磁仿真建模以及优化的过程中需要考虑后期电路板与腔体的装配问题。为了保证后期微带-波导转换结构电路在腔体内部装配的稳定性，需要使基板宽度大于波导窄边宽度。此外，装配时波导腔体对基板的挤压易产生谐振现象，为了有效抑制谐振，在传统转换结构电路的两侧引入两排金属过孔，金属过孔的间距和直径均会影响抑制谐振的效果。根据文献[19]可知，金属过孔的直径d和孔间距S需要满足式(2)，本文取d=0.5 mm，S=0.6 mm。

(2)

在余弦平方渐变的对脊鳍线过渡结构设计时，根据工程设计的经验，转换过渡结构长度L初始值一般设为实现电路转换对应通带最低频率对应的λg。运用电磁仿真软件对微带-波导转换器进行结构建模，如图2所示。以带内端口回波损耗S11和端口间的插入损耗S21进行多目标的仿真优化分析，最终得到微带-波导转换器结构2个端口的S参数仿真结果如图3所示。由图3可以看出，过渡结构在工作频率50～60 GHz范围内，回波损耗S11≤-19.22 dB，插入损耗均S21≥-0.43 dB，实现从微带线到矩形波导的良好过渡特性。

图2 微带-波导转换器仿真模型

图3 微带-波导转换器S参数仿真曲线

1.2 角锥喇叭段设计

采用经典的角锥喇叭结构作为整个天线喇叭段的设计依据，如图4所示。运用最佳增益天线法，尽可能地减小角锥喇叭段的尺寸，实现天线的工作性能指标。

(a)几何结构

图4中，a是波导的宽度；b是波导的高度；A和B表示喇叭口径在E面和H面的边长；LN和LE表示喇叭天线口径在H面和E面的半径；RN和RE表示喇叭上下2个口径面之间的距离。

根据电磁场和天线理论，若实现喇叭天线达到最佳的辐射增益水平，H面扇形喇叭的结构尺寸应该满足[20]:

(3)

E面扇形喇叭的结构尺寸应该满足[21]:

(4)

针对本文所采用的传统角锥喇叭天线结构，若要实现最佳的辐射增益水平，喇叭的结构尺寸需同时满足式(3)和式(4)。此时，喇叭天线的增益为[22]:

G=4πεapAB/λ2,

(5)

式中，εap为喇叭天线的口径效率[20]。

在1.1节微带-波导转换结构的基础上，沿微带-波导转换结构的Z轴方向建立角锥喇叭结构，形成基于微带线馈电的角锥喇叭天线，仿真模型如图5所示。

图5 角锥喇叭天线仿真模型

根据角锥喇叭天线设计理论所设计的天线带内中心工作频率55 GHz、标准波导腔体的尺寸a和b以及欲到达的天线增益G，确定角锥喇叭的口径A，B和喇叭长度的初始值，在初始值的基础上以天线的带内回波损耗S11、天线增益和辐射方向图3 dB波束宽度进行多目标的仿真优化分析。

为了减小天线辐射方向图在H面3 dB的波束宽度，实现3 dB波束宽度为20°的方向图辐射效果，通过对天线结构参数进行仿真分析可知，角锥喇叭的口径和喇叭长度对辐射方向图的影响较大。图6为天线H面的辐射方向图，描述喇叭口径和喇叭长度变化对天线H面3 dB波束宽度的影响，其中θ表示天线辐射方向图在极坐标情况下的极角。可以看出，分别增大喇叭口径尺寸A和喇叭长度Horn_L均可以达到减小H面3 dB波束宽度的目的。

(a)喇叭口径对H面波束宽度的影响

在天线设计和参数优化时，天线的输入阻抗会对天线的工作性能产生影响。图7为天线的输入阻抗随频率变化的曲线，可以看出，天线在54 GHz处的输入阻抗匹配度很好，阻抗的幅值接近50 Ω，很好地实现电磁波信号的高效传输。

图7 天线端口输入阻抗变化曲线

通过对天线结构中各参数不断扫描及优化分析，实现天线工作带宽、E面和H面3 dB波束宽度的性能指标要求，最终得到的天线结构参数如表1所示，其中a为波导宽边宽度，b为波导窄边宽度，L为鳍线渐变线的长度，d为金属过孔的直径，S为金属过孔孔间距，Wf为50 Ω微带馈线的宽度，Ws为介质基板宽度，Ls为介质基板长度，WG_L为波导腔体的长度，A和B表示喇叭口径面的长和宽，Horn_L表示喇叭的长度。

表1 天线的结构参数

2 天线性能分析

为了验证天线的性能指标情况，根据表1对微带-波导转换器电路PCB进行制作，采用机械制图软件按照表1参数绘制波导腔体和喇叭天线结构图纸并进行机械加工。为了降低加工成本，喇叭段结构外形制作为方形，同时运用导电胶将微带-波导转换电路PCB基板固定在波导腔体中，如图8所示。天线装配时，射频接头选取end-launch connector，最终整体实物装配效果如图9所示。

图8 腔体结构实物示意

图9 天线实物

鉴于实验测试条件的限制，仅利用矢量网络分析仪对天线端口进行回波损耗测试，结果如图10所示。由图10可以看出，在50～60 GHz频段内喇叭天线端口回波损耗实测结果显示S11≤-18.2 dB，同时在谐振频率上，实测结果相较于仿真结果出现一定的偏差，但偏差在可接受的范围内。

图10 天线回波损耗仿真和实测结果

综合分析造成实测结果与仿真结果偏差的原因，可能是射频PCB、波导腔体和喇叭天线机械加工的精确度不够、整体装配实物与仿真模型无法完全一致等因素，以及测试环境等导致天线的谐振工作频点发生偏移。但总体变化趋势上看，实测结果和仿真结果较为吻合，并且天线的带内回波损耗特性满足工程应用的需要，进而验证了本文电磁仿真结果的正确性。

图11为天线增益和辐射效率的仿真结果。由图11可以看出，天线在工作带内(50～60 GHz)增益均优于15 dBi，最大增益达到16.7 dBi，同时辐射效率均优于87%，具备较好的电磁辐射特性。图12为天线分别工作在52，54，56,58 GHz时的辐射方向图仿真结果，可知喇叭天线工作在上述各工作频点时，E面和H面的3 dB波束宽度均实现40°和20°辐射效果，且辐射方向图具备较低旁瓣电平，定向辐射特性较好。

图11 天线增益和辐射效率仿真结果

(a)f=52 GHz

为了进一步说明本文所设计角锥喇叭天线工作性能的特点，给出所设计天线与参考文献天线在工作带宽和带内辐射增益水平等指标的对比，如表2所示。由表2可以看出，本文所设计的角锥喇叭天线在工作带宽、带内端口回波损耗和辐射增益均较好，具有宽频带、高增益等特点，能满足宽频带通信系统的工作要求。此外，在天线结构设计上，所设计的天线中喇叭段采用常规角锥喇叭天线结构，未在喇叭内部进行其他结构加载(如双脊加载、介质加载和波纹加载等)，相较于引文的天线，本文所设计的喇叭结构较简单，降低了加工难度和设计成本。

表2 天线尺寸和性能对比

3 结束语

考虑到传统喇叭天线馈电结构与射频前端电路集成及连接较为复杂，设计出一款基于微带线馈电的角锥喇叭天线，天线馈电部分采用微带-对脊鳍线-波导过渡结构。通过不断调节天线过渡结构和角锥喇叭段的参数，使天线工作在V波段，天线端口回波损耗S11≤-19.5 dB带宽覆盖50～60 GHz频段，相对带宽达到18.18%，带内增益优于15 dBi，辐射效率大于87%。同时，对天线进行了实物加工、装配和测试分析，实测结果与仿真结果较为吻合。该款天线带内回波损耗较低、增益和辐射效率较高、定向辐射性能较好，可广泛应用于毫米波成像和通信领域。