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雙脊喇叭天線的設計

2021-04-30 11:05:44

  對喇叭天線而言,常用的展寬頻帶的方法是在波導部分及喇叭張開部分加入脊形結構。雖然該天線已應用于某些工程實際中,但是此類天線在頻率大于12GHz時,增益下降,方向圖主瓣出現分 裂,并且隨著頻率的升高,主瓣凹陷得越來越厲害。這對方向圖要求高的場合,如將天線用作主反射面饋源、EMC測試,已不能滿足要求。針對這一問題,本文利用Ansoft公司推出的HFSS電磁仿真軟件,通過做大量的仿真實驗,設計了一幅頻率范圍為1~18GHz的寬帶喇叭天線,它的增益在整個頻段大于10dB,方向圖在15GHz時,主瓣才開始出現分 裂,并且隨著頻率的升高,直到18GHz主瓣也沒有出現大的凹陷,這樣的結果比較理想,可以滿足更高的工程要求。

  1寬帶雙脊喇叭天線的設計

  基于電磁仿真軟件HFSS,通過做大量的仿真實驗,得到寬帶雙脊喇叭天線,它由3部分組成:饋電部分,脊波導部分,喇叭張開部分。各部分的具體設計過程如下。

  1.1脊波導部分設計

  脊波導部分的橫截面示意圖如圖2所示,波導的橫截面尺寸為a×6,脊寬為a1,脊間距為b1,設計時主要依據脊波導理論。在設計時,首先確定b/a,b1/b,a1/a的值,然后參考文獻[4]的曲線就可得λCE10/A匹,λCE30/a及頻率為無窮大時TE10模的特性阻抗z0∞的值,通過式(1)算出在給定工作頻率f下的特性阻抗以便于饋電段的設計:

  為了改 善饋電段到喇叭段的匹配,讓它的橫截面尺寸逐漸增 大,所以這部分的整體結構設計成一個E面的扇形喇叭,再在兩個窄壁面上加2個楔體以改 善高頻端的方向圖。

  1.2饋電部分的設計

  饋電部分的結構示意圖見圖3,通常采用N型同軸接頭饋電,同軸線的外導體連在波導的側壁上,同軸線的內導體通過第 一個脊的腔體,連到第 二個脊上形成短路,內導體在波導腔內可看作一單*輻射器,由于普通波導的阻抗遠大于同軸線的阻抗,因此內導體須終止在遠離波導壁的地方,以防止失配,而脊波導的阻抗與同軸線的阻抗相一致,所以同軸線的內導體須接在相對的脊上以利于匹配。再在脊波導的后端加一段直波導(長度應小于高工作頻率的半個波長),作為濾除被激勵出來的TE20模,因此脊波導的可用帶寬應是λc10/λc30,而不是λc10/λc20.顯而易見,單模工作帶寬被大大的加寬了。

  1.3喇叭段的設計

  喇叭段的長度應大于低工作頻率波長的一半,這樣才能保證阻抗轉換過程中不激起高次模。喇叭的口面按照常規喇叭的設計方法,根據增益與口徑面相差的要求來確定,因為場分布主要集中在兩個脊的附近,所以考慮加工后實際喇叭的重量可以將兩個窄壁面去掉,這樣對低頻端的方向圖稍有影響,經過反復的調整,后兩個窄壁面采用介質板,并在其上均勻分布6條很窄的金屬片,脊的形狀根據阻抗匹配原則設計。為了使饋電點阻抗能夠平滑的過渡到喇叭口自 由空間阻抗,基于大量的實驗發現,阻抗變換形式為如下所示,具有較好的效果

  它可由喇叭中點的阻抗為兩端阻抗的平均值這樣的條件來確定。因此脊結構的形狀曲線一般也為指數形式,附加的線性項,可起到擴展低頻帶寬的作用。


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