經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)尺寸的仿真優(yōu)化，天線(xiàn)尺寸為0.356λ×0.15λ×0.2λ（λ為最低工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)）。在0.3GHz-10GHz頻率范圍內(nèi)，天線(xiàn)的電壓駐波比基本低于2，具有超過(guò)30個(gè)倍頻程的良好的寬帶特性。并且在工作頻率范圍內(nèi)，天線(xiàn)輻射方向圖穩(wěn)定，增益高。

一、引言

電磁兼容（EMC）作為電氣科學(xué)的分支，是主要研究系統(tǒng)發(fā)射、傳播和接收過(guò)程中的出現(xiàn)的電磁干擾能量并且分析和解決這些能量可能產(chǎn)生的不良影響的一門(mén)學(xué)科。EMC的研究是現(xiàn)代電子科技發(fā)展的必要條件。在EMC工程應(yīng)用中，測(cè)試頻率范圍需求越來(lái)越寬，因此EMC測(cè)試對(duì)天線(xiàn)的寬帶性能期望也越來(lái)越高[1]。符合寬帶性能要求的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)通常為：喇叭天線(xiàn)，對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)，雙錐天線(xiàn)等。

喇叭天線(xiàn)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有高增益和寬帶特性而廣泛應(yīng)用于EMC測(cè)量天線(xiàn)。其中TEM喇叭天線(xiàn)因?yàn)榫哂懈?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，更易于激勵(lì)而得到了廣泛的重視[2,3]。對(duì)于TEM喇叭天線(xiàn)的研究，一直以來(lái)都收到人們關(guān)注。M.Kanda通過(guò)研究阻抗加載對(duì)TEM喇叭天線(xiàn)的影響，使得天線(xiàn)帶寬得以通過(guò)阻抗加載展寬[4]。A. S. Turk等人通過(guò)在天線(xiàn)加載介質(zhì)以及采用形狀獨(dú)特的金屬平板來(lái)提高TEM喇叭天線(xiàn)的帶寬[5]。本文提出了一種輻射部分為對(duì)稱(chēng)雙漸變復(fù)合結(jié)構(gòu)金屬板的寬帶TEM喇叭天線(xiàn)，并且通過(guò)CST建模和仿真優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出具有良好寬帶特性和高增益性能的天線(xiàn)。

二、天線(xiàn)設(shè)計(jì)

A. TEM喇叭天線(xiàn)工作原理

傳統(tǒng)的TEM喇叭天線(xiàn)一般由兩個(gè)具有一定張角的平面三角金屬板和饋電部分組成。其工作原理可以用平行傳輸線(xiàn)的模型來(lái)闡釋。如果把平面金屬板分成足夠小的N段區(qū)域，等效為N段短平行傳輸線(xiàn)，每段區(qū)域近似為平行的具有不同寬度的短金屬板，如圖1所示。那么，從饋電端開(kāi)始，每一段區(qū)域的輸入輸出阻抗可以通過(guò)公式（1）表示[6]：

  （1）

其中Zin為輸入阻抗，Zout為輸出阻抗，l為傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度， Z0為傳輸線(xiàn)特性阻抗，β為傳輸線(xiàn)波數(shù)。


饋電端阻抗一般為50Ω或者75Ω，因此為了匹配延伸向自由空間的口徑阻抗120πΩ，天線(xiàn)的平面金屬板需要具有一定漸變結(jié)構(gòu)，即每一段區(qū)域的金屬板寬度和金屬板間距應(yīng)隨距離的延伸而逐漸變化，因此對(duì)金屬板的尺寸以及金屬板仰角的選取就成了決定天線(xiàn)阻抗帶寬的重要因素。

B.寬帶TEM喇叭天線(xiàn)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的寬帶TEM喇叭天線(xiàn)主要由同軸饋電和輻射金屬板兩部分組成：饋電部分為同軸饋電線(xiàn)，通過(guò)巴倫結(jié)構(gòu)匹配到天線(xiàn)輻射金屬板；輻射部分為上下對(duì)稱(chēng)的雙漸變復(fù)合金屬板，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)漸變結(jié)構(gòu)展寬天線(xiàn)帶寬。

對(duì)于一個(gè)通帶內(nèi)阻抗幾乎恒定的TEM喇叭天線(xiàn)，通常存在的問(wèn)題是輸入端不平衡饋電造成的強(qiáng)反射。為了避免和減少這些反射，在TEM喇叭天線(xiàn)的輸入端應(yīng)該通過(guò)巴倫結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗變換，使天線(xiàn)與饋電線(xiàn)在通帶內(nèi)阻抗匹配。本文天線(xiàn)設(shè)計(jì)的橢圓漸變線(xiàn)巴倫結(jié)構(gòu)如圖2.（a）所示，同軸線(xiàn)內(nèi)芯通過(guò)梯形漸變結(jié)構(gòu)饋入天線(xiàn)上半部分的金屬板，同軸線(xiàn)的外皮通過(guò)橢圓漸變線(xiàn)結(jié)構(gòu)過(guò)渡到天線(xiàn)下半部分的金屬板饋入端。

輻射金屬面的漸變結(jié)構(gòu)使得TEM喇叭天線(xiàn)口徑阻抗平穩(wěn)過(guò)渡到輸入端口，本文采用了兩種漸變結(jié)構(gòu)不一致的復(fù)合結(jié)構(gòu)金屬板，使得天線(xiàn)的諧振模式大大增加，從而拓展帶寬。同時(shí)，根據(jù)八木天線(xiàn)原理，漸變緩慢的金屬板相對(duì)漸變強(qiáng)烈的金屬板能提供引向器的作用，同理漸變強(qiáng)烈的金屬板相對(duì)漸變緩慢的金屬板相當(dāng)于反射器，從而提高TEM喇叭天線(xiàn)的定向性。

在電磁仿真軟件CST對(duì)本文的寬帶TEM喇叭天線(xiàn)建模，如圖2所示，金屬板材料設(shè)為PEC，饋電端口為波端口。漸變金屬板的輪廓曲線(xiàn)可以由式（2）表示。其中，h表示輻射金屬板距離天線(xiàn)中心線(xiàn)的高度，W表示輻射金屬板寬度，這兩個(gè)參數(shù)都隨天線(xiàn)延伸長(zhǎng)度變化而變化。t和t1為輻射金屬板向口徑面延伸的長(zhǎng)度，A、B、C、D、t為漸變緩慢金屬板的輪廓曲線(xiàn)參數(shù)，A1、B1、C1、D1、t1為漸變強(qiáng)烈金屬板的輪廓曲線(xiàn)參數(shù)。本設(shè)計(jì)中，高度變化曲線(xiàn)表現(xiàn)為指數(shù)增長(zhǎng)，寬度變化曲線(xiàn)表現(xiàn)為線(xiàn)性增長(zhǎng)。為了得到合適的天線(xiàn)阻抗帶寬和增益，對(duì)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終得到天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

（2）

0mm≤t≤200mm，0mm≤t1≤150mm

表1： 三、仿真結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)CST仿真軟件對(duì)天線(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化，天線(xiàn)的電壓駐波比（VSWR）如圖3所示。可以看到，天線(xiàn)幾乎在0.3GHz-10GHz整個(gè)頻帶范圍內(nèi)VSWR<2，倍頻程達(dá)到33.3。天線(xiàn)之所以具有如此寬的阻抗帶寬，是由于指數(shù)漸變金屬板結(jié)構(gòu)使得饋源端口阻抗平穩(wěn)地逐段區(qū)域匹配到喇叭口徑面阻抗，使電磁波能良好地通過(guò)輻射到自由空間。同時(shí)復(fù)合漸變結(jié)構(gòu)也增加了TEM喇叭天線(xiàn)的諧振模式。對(duì)于輸入端口來(lái)說(shuō)，在工作頻帶內(nèi)，由于天線(xiàn)的漸變匹配結(jié)構(gòu)，天線(xiàn)輸入阻抗近似恒定。

本文寬帶TEM喇叭天線(xiàn)在2.5GHz，5GHz，7.5GHz三個(gè)頻點(diǎn)的立體輻射方向圖如圖4所示。天線(xiàn)展現(xiàn)出穩(wěn)定的輻射方向圖性能，在各仿真頻點(diǎn)下，增益能達(dá)到11dBi，后瓣電平低。并且基本上隨著工作頻率升高，天線(xiàn)增益越高。傳統(tǒng)的TEM喇叭天線(xiàn)由于不平衡饋電問(wèn)題，很容易造成方向圖畸變。本文天線(xiàn)通過(guò)橢圓漸變線(xiàn)巴倫結(jié)構(gòu)，使得天線(xiàn)輻射部分平衡饋電，減弱了這一影響。同時(shí)，復(fù)合金屬板結(jié)構(gòu)使得天線(xiàn)的定向性進(jìn)一步提高。
四、總結(jié)

本文根據(jù)EMC測(cè)量設(shè)備對(duì)超寬帶天線(xiàn)的需求，提出了一種新穎的寬帶TEM喇叭天線(xiàn)。天線(xiàn)輻射部分為指數(shù)漸變結(jié)構(gòu)，口徑面尺寸約為365mm×150mm，徑向長(zhǎng)度為200mm。通過(guò)橢圓線(xiàn)漸變巴倫結(jié)構(gòu)和指數(shù)漸變結(jié)構(gòu)的輻射金屬板，天線(xiàn)饋電端阻抗能夠與自由空間阻抗平穩(wěn)匹配，并且由于雙漸變結(jié)構(gòu)的復(fù)合提高了諧振模式，使天線(xiàn)在0.3GHz-10GHz工作頻率范圍內(nèi)電壓駐波比小于2，分?jǐn)?shù)帶寬大于18.8%，倍頻程大于30個(gè)。同時(shí)，天線(xiàn)的四金屬板結(jié)構(gòu)提高天線(xiàn)的增益和方向圖穩(wěn)定性。最終天線(xiàn)具有高增益特性，各頻點(diǎn)下輻射方向圖穩(wěn)定。

文章來(lái)源于微波射頻網(wǎng)。


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