陳愛勇　賀亞利

摘 要：針對FMCW測距雷達天線使用問題，本文首先介紹了喇叭天線的基礎知識，然后分析喇叭天線的激勵場，通過三維電磁仿真軟件（Ansoft Hfss）對圓錐喇叭天線輻射場的仿真，驗證了本文使用的圓錐喇叭天線結(jié)構及激勵方式的正確性，最終確認了最佳圓錐喇叭天線尺寸的計算方法。

關鍵詞：喇叭天線；波型波模；輻射場

1 引言

隨著無線電技術的飛速發(fā)展和無線電設備應用場合的日益擴張，當今已出現(xiàn)了不同用途、種類繁多的天線，在天線工程設計中選擇哪種天線很大程度上取決于特定應用場合系統(tǒng)的電氣和機械方面的要求。雷達天線的基本作用是實現(xiàn)自由空間傳播和導波（傳輸線）之間聯(lián)系的一種設備，發(fā)射時天線的作用是將射頻能量集中到具有一定形狀的波束中去照射所希望方向上的目標，接受時天線是收集包含目標回波信號的能量并將其傳送到接收機中去。因此通常的雷達天線是滿足互易關系并將天線的發(fā)射和接收兩種工作方式聯(lián)系起來。這里的頻率調(diào)制連續(xù)波（FMCW）測距雷達使用了圓錐喇叭天線發(fā)射與接收射頻能量的。

2 喇叭天線基礎

喇叭天線是使用最廣泛的一類微波天線，喇叭天線的基本形式是把矩形波導和圓波導的開口面逐漸擴展而形成的，由于是波導開口面的逐漸擴大，改善了波導與自由空間的匹配，使得波導中的反射系數(shù)小，即波導中傳輸?shù)慕^大部分能量由喇叭輻射出去，反射的能量很小。圖a為喇叭天線的基本形狀。

喇叭天線的類型有很多，按工作模式可以分為主模、雙模、混合模、組合模、和模、跟蹤模；按截面積形狀可以分為矩形、方形、圓形、橢圓形和同軸形；按外形有可分為柱形、錐形、多變張角形；按不同的激勵器（包括天線、照射器、饋電器）和不同形式的喇叭組合在一起成為組合喇叭，同軸喇叭就是組合喇叭的一中形式。圖b是圓錐喇叭天線的簡單形式。

喇叭天線最適用于在微波頻段（上千兆赫到幾十千兆赫）使用。一個喇叭是這樣工作的：輸入它的電磁場，通過波模的激勵、傳輸和控制、利用而到達口面形成口面場，此口面場向空間輻射，在輻射區(qū)干涉迭加，形成了輻射場在空間的分布——幅度方向圖和相位方向圖，并得到與此有關的各項輻射性能。

因此，可以將喇叭天線分為三個部分，即（1）喇叭的激勵部分——輸入端或輸入段；（2）波模的激發(fā)和傳輸段；（3）喇叭的輻射面——口面。喇叭的激勵，通常用棒激勵或孔激勵或波導口激勵或這些激勵的混合。

3 波導激勵分析

所謂波導的激勵（enouraging）就是在波導中產(chǎn)生導行波，微波源在波導內(nèi)壁的有限空間輻射，產(chǎn)生所需的模式；波導的耦合（coupling）是從波導特定模式場中提取能量。這里的激勵與耦合是可逆過程，是互易的，激勵與耦合的場結(jié)構要與原波導中場結(jié)構相同。從激勵的本質(zhì)來說，它是輻射問題。但它不是向無限空間輻射，而是想波導管內(nèi)有限空間輻射，并要求在波導管誒建立所需要的波型。由于激勵源的邊界條件復雜，不可能用嚴格的數(shù)學方法求解，只能用定性的激勵方法來分析。激勵的方式有電激勵、磁激勵、電流激勵。電激勵——在波導的某一截面處建立電力線，這些電力線的形狀和方向與要產(chǎn)生的所需波型的電力線的形狀和方向一樣；磁激勵——在波導中建立磁力線，這些磁力線的形狀和方向要與所需產(chǎn)生的波型的磁力線的形狀和方向一樣；電流激勵——在波導壁某一截面建立起的電流的方向和分布與所需波型的電流一致。其激勵裝置有以下四種，（1）探針激勵裝置（圖c）它由電場最強處平行于電力線方向伸入到波導內(nèi)的電偶極子所構成。將同軸線內(nèi)導體延伸一小段沿電場方向插入波導內(nèi)構成探針激勵，同軸線外導體與波導壁有良好的電接觸，另一端接微波信號源，其實質(zhì)就是電場激勵。這里采用的就是這種激勵裝置。（2）環(huán)激勵裝置（圖d）它由在磁場分布最強處伸入波導內(nèi)的磁偶極子所構成，該磁偶極子是由同軸線內(nèi)導體與其外導體閉合成小圈所構成，其實質(zhì)就是磁場激勵。（3）孔激勵裝置。它由在公共波導壁上開孔或開有縫隙而構成，它用于波導與波導、波導與諧振腔之間的激勵。（4）電子流激勵裝置。它由通過諧振腔的電子流所構成，這電子流在腔內(nèi)激勵器所需之模式，這種裝置通常用于微波電子器件中。

4 喇叭天線場分析及性能尺寸

在喇叭內(nèi)，要研究內(nèi)場——波模的激發(fā)、形式、含量以及傳輸、控制、利用等；在喇叭外，要研究外場——輻射場，包括幅度方向圖、相位方向圖、相位中心、波瓣寬度、方向性系數(shù)等。當然，有許多分析方法，一般說來，由于嚴格的理論分析相當困難、相當復雜，而且近似的理論分析有不太解決實際問題。喇叭的漸變擴展部分也可看作是波導，與分析波導中場分布時把波導看作無限長波導一樣，首先也是把喇叭看作是一無限長漸變波導，由麥克斯韋方程出發(fā)，求邊值問題。用分離變量法求解喇叭漸變波導中的電磁場表示，然后把實際的有限長喇叭口徑面上的電磁場，看作是無限長喇叭在同一截面上的電磁場。這樣的近似，忽略了喇叭口徑面所產(chǎn)生的反射波及高次模，這將帶來一定的誤差。但是，喇叭口的反射系數(shù)不大，而高次模又相對較弱，在工程上，這點誤差可忽略。由喇叭口徑面上的場分布求遠場。這里采用圓波導饋電。圓波導中傳輸?shù)氖侵髂E11模，則圓錐喇叭中激勵的也是TE11模。主要區(qū)別是，圓波導開口面上的場是同相分布的，而圓錐喇叭口徑面上的場幅度近似為圓波導中場分布，但相位近似為平方率相位分布。喇叭中的電磁波沿逐漸張開的喇叭波導傳輸，最后過渡到自由空間，由于是平滑過渡，其喇叭口徑面的反射較小，可忽略反射波。

一般的：

最佳圓錐喇叭喇叭尺寸對應關系：

E面主瓣寬度近似為

H面主瓣寬度近似為

最佳圓錐喇叭的增益可近似表示為

Rop為最佳圓錐喇叭的錐高；D為最佳圓錐喇叭的口徑；λ為FMCW測距雷達工作頻段的中心波長；S為最佳圓錐喇叭的口徑面積；ν為最佳圓錐喇叭的口徑效率這里ν=0.5；

5 結(jié)論

根據(jù)所用FMCW測距雷達使用的的工作頻段，按照圓錐喇叭天線的設計原則及理論公式，計算天線尺寸，構建天線模型，通過天線尺寸參數(shù)和頻段掃描，進行了仿真。在仿真過程中，分別采用了電激勵裝置與磁激勵裝置，對多種求解方式，利用不同的端口激勵模式（波端口模式和集中端口模式），仿真結(jié)果描繪出圓錐喇叭天線的駐波性能，場強與增益的輻射方向圖。仿真結(jié)果分析后，算出天線輻射方向圖的增益值與波瓣寬度（波束角）。

進一步驗證了該天線結(jié)構及激勵方式的合理選擇，最佳圓錐喇叭天線的尺寸對應關系以及喇叭天線輻射場方向圖的波瓣寬度和增益的近似計算公式得以證實。一般說來，喇叭天線的駐波性能取決于喇叭輸入段、傳輸段以及喇叭口這三部分的反射，而且通常主要取決于輸入段。而天線的增益主要取決于天線的口徑及有效面積，波瓣寬度取決于天線的口徑和工作頻段。

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