【摘要】：在科技發(fā)展的時代，通信速率、通信容量不斷提高，與之對應的通信設(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，在現(xiàn)代無線電監(jiān)測，電磁兼容測試，廣播測試中往往需要幾百兆到幾十吉赫茲的頻率范圍，對于這些工作來說，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試需求時，需要架設(shè)相應的天線，這也大大降低了工作效率。因此寬帶天線廣泛應用于上述領(lǐng)域。為了適應未來無線通信的發(fā)展，天線不僅要追求寬頻帶的特性，同時還要兼顧到小型化，極化和帶內(nèi)方向圖穩(wěn)定性以及增益穩(wěn)定性等諸多問題。由于天線的性能在很大程度上是由尺寸來決定的，這是客觀存在的事實，因此只要遵循客觀規(guī)律，也可在天線電氣性能指標與尺寸間取得折中。 本文首先對能夠產(chǎn)生超寬頻帶阻抗帶寬的主要結(jié)構(gòu)進行了理論分析與比較研究，這些結(jié)構(gòu)包括半開放形式的平面漸變線結(jié)構(gòu)、封閉形式的加脊波導結(jié)構(gòu)以及開放形式的雙錐結(jié)構(gòu)。重點對這些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超寬帶能量傳輸?shù)臋C理進行了分析，所得到的分析結(jié)果為后續(xù)各章的天線分析與設(shè)計提供了理論基礎(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。仿真與實驗結(jié)果表明，對傳統(tǒng)對拓Vivaldi天線沿軸線方向進行矩形槽縫加載，能使得天線的頻帶下限降低9%，從原來的4.4GHz降低到4GHz，而頻帶上限未受影響；對矩形槽縫加載的Vivaldi對拓天線在口面上進行平面介質(zhì)透鏡加載，能夠展寬天線的方向圖帶寬，這是因為加載的透鏡克服了傳統(tǒng)對拓Vivaldi天線在高頻端由于口面相位誤差增大，而導致的方向圖分裂的問題；對矩形槽縫加載的透鏡對拓Vivaldi天線在口面上進行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主輻射方向圖的影響，進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，沒有分裂現(xiàn)象。 再次，提出了一種結(jié)構(gòu)尺寸小、方向圖帶寬寬、增益高且副瓣電平較低的新型加載雙脊喇叭天線。仿真與實驗結(jié)果表明，在雙脊喇叭的脊上加載一對金屬槽，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)費馬原理設(shè)計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40GHz；在加脊喇叭的饋電波導內(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理。所提出的新型加載雙脊喇叭天線測試結(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，沒有分裂現(xiàn)象。 最后，提出了一種具有不同軸雙錐結(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)上通過錐體傾斜以及切削尾部的方法實現(xiàn)的。仿真與實驗結(jié)果表明，雙錐天線具有超寬的阻抗帶寬，可達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，提高天線的定向性；通過加載專門設(shè)計的橢圓柱面邊界的介質(zhì)透鏡，能夠進一步壓縮波束，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，沒有分裂現(xiàn)象。 本文著重研究了超寬帶喇叭天線特性，通過理論分析、仿真和實驗的方法，重點分析了平面喇叭、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)性能指標不穩(wěn)定等缺點，旨在為超寬帶喇叭天線的發(fā)展尋求更深入有效的理論基礎(chǔ)、實驗論證和優(yōu)化設(shè)計途徑。
【圖文】：

O.J.Lodge設(shè)計的諧振天線

圖1-2 P.S.Cater 發(fā)明的圓錐天線Fig.1-2 Conical antenna designed by P.S.Cater同時，在 1939 年，P.S.Cater提出了在饋電與輻射單元之間采用漸變]，此技術(shù)可以說是寬帶天線最關(guān)鍵的技術(shù)之一，為日后的寬帶天線發(fā)了堅實的基礎(chǔ)（如圖 1-3）。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN822.8

【引證文獻】

相關(guān)碩士學位論文 前1條

1 趙元清;高功率超寬帶脈沖輻射天線的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

本文編號：2542523