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传统喇叭天线是目前最经典、最简单,设计思想最为成熟的微波天线。通过在喇叭天线上加载多种结构,可以对喇叭天线的很多性能进行改进。本文以改善喇叭天线阵列方向性作为主要指标,以加载结构方式为主,对角锥阵列进行优化设计。主要工作如下:对同等阵列面积下,不同口径大小的角锥喇叭单元组成的阵列方向性进行对比。阵列间增益差异不大。小尺寸的单元,在垂直于口径面方向上的尺寸上较小,相位和幅度上易于控制。因此,本文面向口径面小于1.5倍波长的角锥喇叭天线及其组成的阵列展开设计。首先,基于八木天线的原理,研究并设计了加载于角锥天线口径前的引向振子。分析引向振子加载后对单元的影响,对引向器振子的长度、相邻间距进行参数设计。对引向器加载前后的电场辐射变化进行对比分析。优化后的模型加载于天线单元上,中心频率处的增益提高4.75 dB;加载于四单元阵列上,中心频率处的增益提高2.72 dB。然后,基于相位补偿原理,设计了两款超材料结构。计算了距离相位中心不同的位置的相位差,分析了相位补偿的基本原理。当电磁波穿过加载结构时,超材料上表面的电场相位若能保持一致,将提高天线辐射增益。第一种超材料的基本单元是矩形介质块。在矩形介质上挖取圆柱形孔槽,模拟实现不同的电磁参数。结合计算得到的相位差,放置于设计的水平面上,实现超材料上表面的电场相位保持一致。同时分析得到,当挖去的孔槽尺寸越大,等效的相位差也越大。加载结构后,使单元中心频率处的增益提高0.5 dB。利用上一个设计得到的结论,设计同心圆环结构,实现了超材料上表面更均匀的电场相位分布。通过对同心圆柱宽度和孔缝尺寸的设计,使超材料结构在较宽频段内均有较好的相位补偿效果。加载最终得到的超材料结构后,单元在13~17 GHz内平均增益提高2.99 dB,中心频率处的增益提高3.27 dB。组成四单元阵列后,中心频率的增益提高1.82 dB。相对于第一款设计,第二款超材料结构效果更加优异。设计了一款零折射材料结构。加载于大口径天线口径面上方,单元增益提高2.45dB。加载于阵列中口径面之上。阵列增益提高1.64 dB的提高,且栅瓣电平得到抑制。之后,对零折射材料和相位补偿表面两种结构进行对比。然后,分析相邻单元之间的耦合情况。基于隔离去耦原理,设计了金属条带结构,降低了相邻单元之间的耦合,提高了四单元阵列的增益。加载金属条带结构的阵列辐射增益,优于金属挡板结构。相对原始角锥天线阵列,加载金属条带结构后,辐射增益提高1 dB,而金属挡板结构,只能提高0.2 dB。最后,基于方向图乘积原理,计算比较了几种简单规则阵列的辐射方向图,单元数量相近且间距相同的情况下,圆形边界阵列的增益最高。仿真得出,当阵列行或列的偏移量为0.6倍的单元间距下,栅瓣的抑制效果最好。