超寬帶介質(zhì)加載喇叭天線研究.pdf

1、在科技發(fā)展的時(shí)代，通信速率、通信容量不斷提高，與之對(duì)應(yīng)的通信設(shè)備也在不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的窄帶天線已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代通信的要求，取而代之的是頻帶更寬，體積更小的寬帶天線。同時(shí)，在現(xiàn)代無(wú)線電監(jiān)測(cè)，電磁兼容測(cè)試，廣播測(cè)試中往往需要幾百兆到幾十吉赫茲的頻率范圍，對(duì)于這些工作來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)窄帶天線不僅大大增加了設(shè)備成本，而且為了滿足不同頻段測(cè)試需求時(shí)，需要架設(shè)相應(yīng)的天線，這也大大降低了工作效率。因此寬帶天線廣泛應(yīng)用于上述領(lǐng)域。為了適應(yīng)未來(lái)無(wú)線通信的發(fā)展，天

2、線不僅要追求寬頻帶的特性，同時(shí)還要兼顧到小型化，極化和帶內(nèi)方向圖穩(wěn)定性以及增益穩(wěn)定性等諸多問(wèn)題。由于天線的性能在很大程度上是由尺寸來(lái)決定的，這是客觀存在的事實(shí)，因此只要遵循客觀規(guī)律，也可在天線電氣性能指標(biāo)與尺寸間取得折中。
　　本文首先對(duì)能夠產(chǎn)生超寬頻帶阻抗帶寬的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析與比較研究，這些結(jié)構(gòu)包括半開(kāi)放形式的平面漸變線結(jié)構(gòu)、封閉形式的加脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及開(kāi)放形式的雙錐結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)對(duì)這些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超寬帶能量傳輸?shù)臋C(jī)理進(jìn)行了分析，

3、所得到的分析結(jié)果為后續(xù)各章的天線分析與設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
　　其次，提出了一種剖面低、方向圖帶寬寬、增益高且副瓣電平較低的新型平面加載喇叭天線。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)傳統(tǒng)對(duì)拓Vivaldi天線沿軸線方向進(jìn)行矩形槽縫加載，能使得天線的頻帶下限降低9％，從原來(lái)的4.4GHz降低到4GHz，而頻帶上限未受影響；對(duì)矩形槽縫加載的Vivaldi對(duì)拓天線在口面上進(jìn)行平面介質(zhì)透鏡加載，能夠展寬天線的方向圖帶寬，這是因?yàn)榧虞d的透鏡克服了傳統(tǒng)對(duì)拓

4、Vivaldi天線在高頻端由于口面相位誤差增大，而導(dǎo)致的方向圖分裂的問(wèn)題；對(duì)矩形槽縫加載的透鏡對(duì)拓 Vivaldi天線在口面上進(jìn)行 Choke槽縫結(jié)構(gòu)的加載，能降低天線輻射張角末端的橫向電流對(duì)主輻射方向圖的影響，進(jìn)一步提高天線在高頻端的輻射增益和降低副瓣電平。所提出的新型平面加載喇叭天線的測(cè)試結(jié)果為：工作頻帶為4-30GHz，帶內(nèi)增益5-8dBi，方向圖的前后比高于13dB，沒(méi)有分裂現(xiàn)象。
　　再次，提出了一種結(jié)構(gòu)尺寸小、方向圖帶

5、寬寬、增益高且副瓣電平較低的新型加載雙脊喇叭天線。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在雙脊喇叭的脊上加載一對(duì)金屬槽，能提高脊間端口阻抗的穩(wěn)定性，有效地拓展天線的阻抗帶寬，和傳統(tǒng)雙脊天線相比，天線的頻帶下限降低了60%，即從5GHz降低到了2GHz；在喇叭天線口面處加載根據(jù)費(fèi)馬原理設(shè)計(jì)的具有單雙曲柱面邊界的介質(zhì)透鏡，能改善喇叭口面的相位分布，顯著拓展天線的方向圖帶寬，與未加載透鏡的情況相比，天線的方向圖帶寬上限提高了82%，即從22GHz提高到了40G

6、Hz；在加脊喇叭的饋電波導(dǎo)內(nèi)部加載楔形金屬塊，能夠抑制高次模，保證主模傳輸?shù)姆€(wěn)定性，顯著提高天線的增益帶寬，和未加載楔形金屬塊的情況相比，天線的增益帶寬上限提高了82%，即從22GHz提高到40GHz，并首次采用模式分析的方法解釋了增益帶寬提高的機(jī)理。所提出的新型加載雙脊喇叭天線測(cè)試結(jié)果為：工作頻帶為3.2-40GHz，帶內(nèi)增益從5dBi升至20dBi，方向圖的前后比高于15dB，沒(méi)有分裂現(xiàn)象。
　　最后，提出了一種具有不同軸雙錐

7、結(jié)構(gòu)的帶有介質(zhì)透鏡加載的新型雙錐喇叭天線。這種新型天線是在一種小型化的介質(zhì)加載全向輻射雙錐天線的基礎(chǔ)上通過(guò)錐體傾斜以及切削尾部的方法實(shí)現(xiàn)的。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙錐天線具有超寬的阻抗帶寬，可達(dá)20:1(1-20GHz)，而介質(zhì)加載可以使全向輻射的雙錐天線整體尺寸顯著下降，在保證阻抗帶寬不變的情況下，錐體底面直徑可以從150mm降低至96.6mm，下降了35.6%，這為雙錐喇叭天線的寬帶和小型化提供了保證；錐體傾斜可以壓縮一側(cè)波束，提高天

8、線的定向性；通過(guò)加載專門(mén)設(shè)計(jì)的橢圓柱面邊界的介質(zhì)透鏡，能夠進(jìn)一步壓縮波束，提高天線增益。最終所提出的新型雙錐喇叭天線測(cè)試結(jié)果為：工作頻帶為2-20GHz，帶內(nèi)增益從3dBi單調(diào)上升至17dBi，方向圖的前后比高于15dB，沒(méi)有分裂現(xiàn)象。
　　本文著重研究了超寬帶喇叭天線特性，通過(guò)理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)的方法，重點(diǎn)分析了平面喇叭、加脊喇叭、雙錐喇叭天線，并利用以介質(zhì)加載為主的多種加載方式，改善了傳統(tǒng)形式的上述天線在工作頻帶內(nèi)性能指標(biāo)不