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宽频带加脊喇叭天线设计

宽频带加脊喇叭天线设计

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作者：岳震震西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着超宽带技术的快速发展,凭借着具有大容量、超宽带以及高速率等优势,超宽带天线已经被广泛的应用于电磁兼容、电磁测量以及超宽带雷达等领域。但是传统的喇叭天线只能工作在有限的频率范围内,因而难以满足超宽带系统的要求。为了使... 详细信息

随着超宽带技术的快速发展,凭借着具有大容量、超宽带以及高速率等优势,超宽带天线已经被广泛的应用于电磁兼容、电磁测量以及超宽带雷达等领域。但是传统的喇叭天线只能工作在有限的频率范围内,因而难以满足超宽带系统的要求。为了使喇叭天线获得更宽的工作带宽,通过在传统喇叭天线内部添加脊结构方式所形成的加脊喇叭天线开始出现。脊的存在导致的电容效应,使得喇叭天线的单模工作带宽得以扩展,一方面降低了主模TE模的截止频率,另一方面也升高了高次模TE模出现的频率。而双脊喇叭天线除了具有超宽带特性之外,还具有体积小、口径效率高、方向性好等一系列的优点,广泛的应用于电磁兼容测试和反射面馈源等领域。但是传统的加脊喇叭天线,由于长时间以来研究者们只对天线的E面和H面进行了观测和分析,而缺乏对于45°面和三维方向图的相关分析。随着相关研究的不断深入,人们发现传统的宽频带加脊喇叭天线在频率达到12 GHz以上的时候,辐射方向图并不能保持稳定,而是开始出现裂瓣现象,并且增益会出现严重的下降。本文概述了宽带加脊喇叭天线的发展历史,对宽带加脊喇叭天线的设计展开了研究。首先,从喇叭天线的基本理论和脊波导理论出发,针对传统的加脊喇叭天线存在的高频裂瓣和增益下降问题,设计了一款工作在2-18 GHz的双脊喇叭天线。通过改进脊的曲线形式,采用贝济埃曲线来代替传统的指数型曲线,同时通过取消在馈电结构中添加的楔形结构来简化馈电结构,解决了传统双脊喇叭天线出现的高频方向图裂瓣和增益下降问题。然后,对所设计的天线进行了实物加工和测试验证,发现测试结果与仿真结果差距很大。进一步的分析发现,加工误差以及组装过程中的偏差使得天线各个结构之间产生了缝隙,这些缝隙的存在导致了天线性能的恶化。首先,将脊靠近馈电结构的末端延伸进短路板来解决这一问题。进一步地,通过对脊靠近馈电结构末端的形式进行优化设计,仿真并加工了一副工作在2-18 GHz的双脊喇叭天线,并实现了小型化。对两种改进方式的模型均进行了实际加工和测试。天线的实测结果表明,所设计的天线在整个2-18 GHz频率范围内实现了良好的辐射特性。天线的电压驻波比小于2,增益在高频段保持稳定。并且,所改进的天线由于具有更简单的馈电结构,使得天线内部产生缝隙的可能性减小,而这些缝隙对于天线的性能往往会产生十分不利的影响。所设计的天线也更加有利于实际的生产加工,适合于用作电磁测试和用作反射面天线。最后,为减小天线重量,在本文中仿真设计了一款工作在1-18 GHz具有开放边界的加脊喇叭天线,通过采用宽度渐变的脊形式来实现天线的小型化,改进喇叭段结构以改善驻波和辐射特性。

关键词：宽带天线双脊喇叭天线方向图稳定性

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