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双脊喇叭天线设计

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更新时间 : May, 29, 2021

      对于喇叭天线,最常用的扩频方法是在波导部分和喇叭开口部分增加脊状结构。频率大于12GHz,方向图主瓣分裂,随着频率的增加,主瓣锯切越来越尖锐。 这种对方向图的高要求,比如用作主反射面馈源的天线, EMC测试,一直无法满足要求。为了解决这个问题,本文通过使用电磁仿真软件Ansoft HFSS启动,通过做了大量的仿真实验,设计了1~18个频率范围GHZ宽带喇叭天线,其全频段增益在10db以上,15GHZ的方向图,开始分裂主瓣,随着频率的增加,直到18GHZ主瓣没有大的下陷, ult更理想,能满足更高的工程要求。

       宽带双脊喇叭天线的设计

       基于电磁仿真软件HFSS,通过大量仿真实验得到了宽带双脊喇叭天线。它由三部分组成:馈源部分、脊形波导部分和喇叭开口部分。各部分的详细设计过程如下。

       1.1 脊波导部分设计

       脊形波导部分:波导截面尺寸为a*6,脊宽为a1,脊间距为b1。设计主要基于脊波导理论,在设计中首先确定b/a、b1/b、a1/a的值,然后可以利用参考文献[4]中的曲线来提取值CE10/a和频率无穷大时TE10模块的特性阻抗z0无穷大。给定工作频率f下的特征阻抗可通过式(1)计算,方便馈电段的设计:
为了提高馈电段与喇叭段的匹配度,逐渐增大其截面尺寸,该段的整体结构设计为E平面上的扇形喇叭,并在两个窄的部分增加了两个楔块。墙壁改善高频端的方向图。
       1.2 进料部分的设计
       馈电部分结构,通常采用n型同轴连接器馈电,波导侧壁上同轴线的外导体,腔体的中心导体通过第一脊,甚至到第二脊形成短在电路中,波导腔内的内导体可以看作是一个单极辐射器,由于波导的公共阻抗大于同轴线的阻抗,所以内导体的末端必须远离波导壁,以便防止不匹配,脊形波导的阻抗与同轴线的阻抗一致,因此需要在相对的脊形上拾取中心导体以进行匹配。 最后,直线波导(长度应为小于最高工作频率波长的一半)被添加到脊形波导的后端作为过滤器,以去除激发的 TE20 模式。因此,脊形波导的可用带宽应为间隙 c10/间隙 c30,而不是间隙 c10/间隙 c20。显然,大大拓宽了单模工作带宽。
      1.3 喇叭部分的设计
      喇叭段的长度应大于最低工作频率波长的一半以上,以保证阻抗转换过程中不会激起高阶模块。喇叭口侧按照常规扬声器的设计方法,根据增益的要求因直径面确定而不同,因为近场分布主要集中在两个脊,所以考虑实际扬声器的重量,处理两个窄壁后可以去除,这样对低频侧方向图的影响略,经过反复调整,最后两个窄壁由中板制成,并均匀分布在其六块极窄的金属板上,脊的形状按照阻抗匹配的原则设计。为了使馈电点阻抗平滑过渡到自由空间阻抗,基于大量实验,阻抗变换形式,效果不错。
      可以通过喇叭中点阻抗为两端阻抗平均值的条件确定。因此,脊状结构的形状曲线一般为指数型,附加线性项可以扩展低-频率带宽。