一種新穎的波導(dǎo)饋電短背射天線的設(shè)計

1、一種新穎的波導(dǎo)饋電短背射天線的設(shè)計邱景輝，王愛舉，黃玉敏（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與通信工程系，黑龍江，哈爾濱 150001）摘要：本文對短背射天線的次反射器進行了圓錐化的改進，使得天線增益提高約0.20.3dB，且旁瓣特性也隨之有很大的改善。還對影響天線的各個結(jié)構(gòu)參量進行了分析，得出一種性能良好的天線結(jié)構(gòu)。短背射天線具有高增益，低副瓣等良好參量特性，為了適應(yīng)高功率、高頻率的實際需求，本文利用了標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)進行饋電。最后對所設(shè)計的天線進行了實驗測量。并且根據(jù)各個參量對天線的影響，還可以找到許多實際問題的所在并得以解決。關(guān)鍵詞：短背射天線 參量分析 次反射器圓錐化The Design of SBA Bas

2、ed on the Waveguide Fed and the Modification of Sub-reflectorJinghui Qiu Aiju Wang Yumin Huang(Department of Electronics and Communication Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)Abstract: Short Backfire Antenna (SBA) has many beneficial characteristics, such as high gain,

3、low side-lobe and so on. The structure of cone on sub-reflector was given to increase the gain about 0.20.3dB and to improve side-lobe. This paper also analyzed a series of the parameters that affect the antennas performance and an excellent antenna was proposed. This paper utilized standard wavegui

4、de to feed the antenna to adapt to the demand of the high power and the high frequency. At last, the antenna was measured. Lots of problems will also be solved according to the parameters influence on antenna in many applications.Key words: SBA Parametric analysis Cone on sub-reflector1、引言短背射天線（SBA）

5、具有高增益，低副瓣等良好參量特性，它首先由Ehrenspeck1提出，很多人對這種天線進行了改進2,3,4。在文獻5中對其部分尺寸、形狀的影響有了較深入的探討。短背射天線對饋源的極化不敏感，這樣就使得該天線在任何方向上較容易地實現(xiàn)線極化和圓極化。在短背射天線中，用作饋源的一般是偶極子，也有用鋸齒天線或螺旋天線代替的，且饋源的放置方向也發(fā)生了變化。在通常的衛(wèi)星通信和艦載雷達天線中，都要求有較寬的帶寬和較高的方向性天線作面天線的饋源，且功率和頻率在數(shù)值上要求很高，太低的該參數(shù)不能滿足實際的參量需要。本文用標(biāo)準(zhǔn)WG-62（15.8×7.9mm）波導(dǎo)對短背射天線進行饋電，并且提出對該類短背射

6、天線的次反射器進行圓錐變形化的改進。這樣，波導(dǎo)能實現(xiàn)高功率和高頻率，短背射則能實現(xiàn)較高的增益特性，次反射器變形后的增益能提高0.20.3dB。用波導(dǎo)進行饋電的SBA在微波段具有體積小的特點，它可以作為陣列天線的優(yōu)選單元。如在2cm波段，天線的厚度為1cm，它與波導(dǎo)縫隙天線的厚度相同，而且SBA陣在增益、帶寬特性方面均優(yōu)于波導(dǎo)縫隙陣列天線。因此，SBA是作為導(dǎo)引頭天線的優(yōu)選方案。2、理論分析及模型SBA是一種結(jié)構(gòu)特殊的天線，工作于諧振模式中。由于模型中存在的困難，導(dǎo)致沒有簡單的理論來對天線的性能進行精確的分析，只能采用近似的方式。對它的分析主要有開放腔分析方法、邊環(huán)等效方法和數(shù)值法，本文中采用數(shù)

7、值分析法。對于輻射問題，數(shù)值分析法只能在一定的空域中分析，所以用一個理想的吸收邊界空間表示無限的傳播空間。由于諧振模型對激勵要求很高，所以波導(dǎo)饋源的輸入采用正弦函數(shù)加斜坡函數(shù)的形式，這樣可以減小收斂時間。在給定SBA模型尺寸的條件下，對天線的性能進行了分析和仿真。本文在分析了多種SBA的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型天線。所設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中部件尺寸如下：h1=4mmD=52mmh3=15mmh2=5mmr=8mm 1/4圓弧d=10mm厚度1mm5mm85oa=15.8mm b=7.9mm (a)天線結(jié)構(gòu)綜合圖（General Structure of SBA） (b)次反射器圓錐化示意圖

8、（Cone on Sub-reflector）圖1 天線結(jié)構(gòu)圖 Figure1 Structure of SBA 1）反射腔體為圓形，直徑為D=2.6=52mm；邊緣高度為0.6=12mm；邊緣部分和水平部分是半徑為0.4=8mm的1/4圓弧。2）次反射器直徑為d=0.5=10mm的圓錐，質(zhì)地為銅，厚度為0.5mm；且和Z軸負(fù)向夾角為850。3）饋電為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，型號WG-62（15.8×7.9mm），插入深度為h2=0.25=5mm設(shè)計工作頻率為f0=15GHz，工作模式為TE10，如果想獲得高增益，也可以考慮使用高次模，為達到此目的天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜化了，不是設(shè)計天線的主流思想。在本模型

9、中，最大的特點是將次反射器進行圓錐化，使次反射器和Z軸負(fù)方向夾角為85度，此時主反射器和次反射器組成的諧振腔體變形，波在腔體內(nèi)的路徑發(fā)生曲線變化，諧振得以強化。這樣改善了天線性能，增益大約增加了0.20.3dB，旁瓣也明顯減小。該改進也近似等于在保證相當(dāng)?shù)闹C振效果前提下，減小了次反射器尺寸，這樣減少了散射和繞射到旁瓣的能量，從而使旁瓣明顯改善。另一個特點是腔體壁和腔體地板之間的弧形化，這種設(shè)計能最大限度的降低因反射引起的損耗而降低天線的效率，這樣可以讓二次反射和二次反射波很好的散射和繞射。本文先對影響短背射天線的各個參數(shù)進行有限元法分析，得出各個參量的最優(yōu)值，以這幾個最優(yōu)值設(shè)計幾何結(jié)構(gòu)，對以上

10、幾何模型再用有限元法進行仿真，然后將仿真的實驗結(jié)果和實測的結(jié)果進行比照，以證明該天線設(shè)計的有效性。3、結(jié)果分析仿真結(jié)果如圖2所示：主要從方向性和增益入手來考察各個參量對天線整體性能的影響。影響其性能的主要參量有：主反射器直徑；主反射器邊緣高度；主反射器弧形化半徑；波導(dǎo)插入深度；次反射器直徑；主、次反射器距離；次反射器錐形化角度。其中次反射器錐形化角度為次反射器和Z軸負(fù)向夾角。其各個的影響參量圖如圖2所示： 圖2 短背射天線中各個參量對天線的影響Figure 2 the parameter influence on SBA由上圖可見各個參量只有在一定的數(shù)值范圍內(nèi)才可以取得最大值，大于或小于該值都

11、不能引起天線腔體很好的諧振。根據(jù)上面對參量的分析可得最優(yōu)化結(jié)構(gòu)：主反射器的直徑取D=2.6=52mm; 邊緣高度取0.6=12mm；邊緣部分和水平部分的弧度化半徑為0.4=8mm；次反射器直徑取d=0.5=10mm的圓錐，其和主反射器之間的距離取12mm；波導(dǎo)插入深度為0.25=5mm。其中將次反射器的形狀由平板變?yōu)閳A錐形后，根據(jù)上圖所示可以確定當(dāng)次反射器和Z軸負(fù)向夾角為850時，增益可以達到最大。此時錐的頂端位置為12.5mm,底端位置位于11.56mm，由于次反射器有0.5mm的厚度，這樣中心位置仍然為12mm，仍然合乎要求，但性能有很大改善。按照最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)所得結(jié)果如圖3和圖4所示：其中

12、3給出的結(jié)果為次反射器的面為平面，圖4給出的結(jié)果為次反射器變形后的結(jié)果。 圖3 次反射器為平面時的方向圖 Figure 3 Directivity with Plane Sub-reflector 圖4 次反射器為變形后的方向圖 Figure 4 Directivity with Cone Sub-reflector可見次反射器未變形前的增益為18.15dB；前后比為20.5dB；次反射器錐形化后的增益為18.52dB；前后比為21.83dB；旁瓣也相對的減少了很多。證明了次反射器圓錐化的有效性，且負(fù)瓣也有所減小。實測的頻帶分析結(jié)果如表1所示：表1 頻帶測試結(jié)果Table 1 Experime

13、ntal Result on Frequency頻率(GHz)12.212.613.013.413.814.214.615.015.415.816.216.617.017.4G(dB)14.6915.9116.4217.0617.4217.7118.2118.6218.0217.2616.8416.2515.5814.53HP(E)(度)24.524.521.522.025.525.024.023.022.522.519.518.515.015.0HP(H)(度)25.525.523.023.024.524.523.522.022.522.520.519.017.518.0前后 比22.592

14、0.0121.1218.8618.9219.6118.2118.6216.5216.8614.9415.1514.9814.83VSWR1.251.351.341.861.461.431.591.621.561.731.481.551.641.61我們給出了在12.217.4GHz范圍內(nèi)的E和H面的增益、3dB帶寬、前后比和VSWR來考察天線隨頻率變化時的特性。其中增益和前后比在E和H面的數(shù)值幾乎相等，所以僅列出一列。由表可見，實測結(jié)果在12.617.0GHz范圍內(nèi)的增益都可以保持在15.5dB以上，且此時的旁瓣特性很好，保持了良好的正軸向方向圖。到了12.2及17.4GHz時旁瓣數(shù)值極大，幾

15、乎和主瓣相當(dāng)且分布極差。3dB帶寬隨頻率的變化幅度不大，且頻率增加到16GHz時，有小于200的趨勢。前后比在頻率大于該值時變得很小。VSWR在整個頻段內(nèi)也保持良好的特性。4、結(jié)論本文設(shè)計了一種用波導(dǎo)饋電的短背射天線，用波導(dǎo)來實現(xiàn)天線的高功率和高頻率特性，用短背射的高增益特性來為整個組合系統(tǒng)保證高的增益。將短背射天線的次反射器進行了錐形化設(shè)計，使得增益有0.20.3dB的提高，且旁瓣性能較以前有很大改善。在設(shè)計結(jié)構(gòu)中給出了工藝上較容易實現(xiàn)的弧形化反射腔體，這為提高天線的效率提供了有力的保障。另外，本天線還可設(shè)計在更高頻點處，只要將相應(yīng)的參量放大就可積極地實現(xiàn)特定的參量要求。并且如果發(fā)生其他問題

16、，可以根據(jù)前面對各個參量的影響圖示來分析問題的所在，這為以后的設(shè)計提供了直觀的參考。5、參考文獻1 Ehrenspeck H. W. The backfire antenna, a new type of directional line sourceJ. Proc IRE. 1960, (48): 1091102 C. C. Kilgus. Shaped-conical radiation pattern performance of the backfire quad rifilar helixJ. IEEE Trans on AP. 1975, 23(3): 3923973 Nakano H. Frequency characteristics of tapered b