2。2 加脊喇叭天线

众所周知，加脊喇叭天线由开口逐渐变大的加脊波导所构成，那么毫无疑问 脊波导是双脊喇叭天线的一个关键组成部分。所以研究加脊波导的特性变得至关 重要，并且成为设计双脊喇叭天线的关键所在。

加脊喇叭天线产生于 20 世纪 60 年代的美国，当时有一些科学家对加脊喇叭 天线作了非常深入的研究。其中，美国人 Walton 将双脊波导的思想引入了喇叭 天线的设计当中。在这个设计中，他大胆地尝试了将渐变的寄生脊加入了角锥喇 叭。与此同时，Walton 还设计出了由同轴到加脊波导的平衡转换装置，这个平 衡装置最终在工程实践中使喇叭天线的频带得到了极大的扩展。经实验的验证， 这款加脊喇叭天线的带宽可以做到 10 倍频以上[7]。自此之后加脊喇叭天线被广 泛地用在电磁兼容、通信系统、卫星定位导航以及雷达等领域。下文首先介绍脊 波导的基础理论，然后详细介绍加脊波导是如何过渡到喇叭的。

2。2。1 脊波导基础理论

我们都知道，根据结构上的差异可以将脊波导分为两类。一种是单脊波导， 另一种是双脊波导[8]。而在另一方面，脊波导的结构是从矩形波导变化而来的。 科研人员做了大量的实验来研究脊波导。实验结果表明，矩形波导的主模是 TE10

模[9]。脊波导是在矩形波导的基础之上加入了寄生脊而构成的。但是我们注意到， 在其中加入寄生脊的同时，并没有让波导的主模形状发生太大的变化。寄生脊的 加入仅仅是在脊边沿处增加了对场的略微扰动，这就是容性加载。寄生脊的加入 波导，这使得波导的主模的工作频带得到了扩展。此外，寄生脊的加入还使单模 传输的带宽得到扩展，可以达到数倍的频程。另一方面，脊波导因为脊的加入而 具有了容性加载，这样使得波导的特性阻抗显著下降[10]。正是因为这个原因，脊 波导起到了过渡作用，它被用来当作高阻抗的矩形波导和低阻抗的同轴线之间的 过渡装置。因此，我们不难看出，由于以上特点，脊波导具有许多显著的优点。

与此同时，我们还注意到，脊波导存在着许多缺点，比如说，它的功率容量 小同时损耗大并且不利于加工制造。

图 2-2 矩形脊波导的横截面图

图 2-2 所示为几种不同结构的矩形脊波导，其中（a）和（c）为单脊波导， 也被称为 T 型波导；（b）和（d）为双脊波导，双脊波导又被我们称为 H 型或十 字型波导；（e）所示为圆形脊波导；图中的（f）为变态型脊波导。虽然脊波导 有很多的类型，但是通常我们所称的脊波导是指类似于图 2-2 中（a）和（b）的 类型。并且我们称这种类型的脊波导为正脊波导，而类似于（c）和（d）类型的 脊波导我们统称为背脊波导[3]。

加脊波导是由矩形波导变形而来的，所以在脊波导中很有可能存在着 TE 波 形和 TM 波形[11]。由于矩形波导的主模是 TE10 模，所以我们不难得出加脊波导 的主模也一样为 TE10 模。只是由于矩形波导中加入寄生脊的缘故，场相对向脊 边缘集中，导致波导内电场分布不均匀[12]。

图 2-3 矩形波导和单脊波导 TE10 模的电场分布

如图 2-3 所示，其中，矩形波导横截面上的 TE10 模的电场分布如左图所示。 可以看出其电场方向保持一致，都是向上的。与此同时，右图为单脊波导横截面 上的 TE10 模的电场分布。研究发现，当脊波导的工作波长达到其谐振波长时会 出现特殊情况。这种情况就是说电磁波在沿波导传输方向上将没有能量的传输， 而只在波导的两侧臂之间来回地反射。这种情况将导致在脊波导的两侧臂间将会 形成横向谐振[13]。在此时脊波导的工作波长即等于脊波导的截止波长，在这种 情况下，脊波导对应的谐振频率即为它的主模截止频率[14]。