建立微波标准场的高性能天线的研制

　　1　引　言

　　随着科技的不断进步发展,微波电子设备的使用越来越普遍,随之而来的微波场强的量值溯源和计量问题也亟待解决。微波功率密度是微波场强计量中的一个重要参数,因此,建立微波功率密度标准是必不可少的。当今世界各国建立的功率密度标准的频率范围大多为1 GHz~40 GHz;功率密度的最大值为100W/ m2(10mW/cm2,相当于200V/m)。而我国计量部门建立的功率密度标准频率仅为2.45GHz,功率密度最大值只能达到0.05~0.80mW/cm2,与世界各国相比还有一定差距。基于上述原因,我们必须对原有的功率密度标准进行技术改造,扩展其频率范围、扩大其功率密度量程,才能满足现代计量校准和日益发展的国民经济需求,缩小与发达国家之间的差距。

　　本论文就是在建立一套严谨、精确的微波功率密度标准装置的过程中,通过理论计算和仿真分析研制了频率覆盖1~18 GHz的5付角锥形喇叭天线,用于在模拟的自由空间内建立一个功率密度值可准确计算的标准场,因为在机械性能和电性能方面,角锥形喇叭天线具有结构简单、重复性好、工作频带宽和极化纯度高等优点。然后,采用三天线法对实际制作完成后的天线的增益和驻波比进行了测量,并研究了由天线在微波功率密度标准发生装置中所引入的不确定度。结果表明所研制的天线完全符合宽频率、宽量程和高精度的微波功率密度发生装置的要求。其频率范围为1~18 GHz,量程为10mW/cm2,可以更好地满足微波场强探头和微波漏能仪的校准需求,解决微波功率密度的溯源问题。

　　2　角锥形喇叭天线的设计

　　为了满足建立精确的微波功率密度标准的要求,发射天线必须是高增益天线。根据这一要求以及频率范围1~18 GHz,设计了5付角锥形喇叭天线。角锥形喇叭天线的结构尺寸如图1所示。通常情况下,喇叭天线都需要一个给定工作频率下的特定增益。使用最佳增益设计法设计喇叭天线,可以使喇叭天线的轴向长度最短。角锥形喇叭天线的最佳边长所满足的方程为

　　由于设计完成的喇叭天线用于1~18 GHz频率范围,因此喇叭天线需要用波导来进行馈电,所以设计最佳喇叭天线时,不但需要考虑在E面和H面上获得最佳增益,而且还要考虑角锥形喇叭的物理结构一定要与波导匹配。利用上述E面和H面的最佳边长关系式,可以得到角锥形喇叭天线各边长之间必须满足的关系式为

　　利用数值计算中的迭代法求解该方程,先求出A,进而求出B和H。求a和b时,首先按单模矩形波导来设计,然后考虑与实用的标准波导的规格尺寸相符,由此设计出建立1~18 GHz功率密度标准所需要的5付角锥形喇叭天线的理论尺寸。