喇叭天线基础理论

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1、2喇叭天线基础理论2.1喇叭天线的结构特点与分类喇叭天线就其结构来讲可以看成由两大部分构成：一是波导管部分，横截面有矩形， 也有圆形；二是真正的喇叭天线部分。波导部分相当于线天线中的馈线，是供给喇叭天线信号和能量的部分。对工作于厘米 波或毫米波段内的面天线，如采用线状馈线，将因馈线自身的辐射损耗太大不能把能量传送 到面天线上，所以，必须采用自身屏蔽效果很好的波导管作馈线。W田6-5- L晋迪嘲叭珞站評1原理囹TEo 模,图2. 1普通喇叭天线结构原理图矩形波导中能够传输的波形（或叫模式）一般表示成TEmn，其中第一个下标表示电场在宽边x方向上分布的半波长个数， 第二个下标n表示电场在窄边y方向

2、分布的半波长个数。 也表示电场在矩形波导中沿 x，y方向上为驻波分布，z方向为行波分布，而且， m，n可以 有一个为零，但不能同时为零，否则各横向电磁场量就全部变为零，导致H为一常数，相当于矩形波导中没有电磁波存在。如下图所示：对于矩形波导管，其内部传输的主波型，也叫主模是WWW,其内部騎的主翅,也叫携是型，称揪电波。该电磁 齡波寻管纵向训以行播方煤输，畅分量詡垂餓的传播方向，即漩形踽 管的窄边y轴方亂大水要求沿宽边x轴作变儘且为驻枝分布，即要赖边a的长度 正好等于半个波长J把羽彼中宽边长度等于半波长:整数倍的其它删为高次波或2 2敲模.高次模蹴般输樣减很快，频率更高的高次籬至不能無形被导中传

3、输。 对于现波中的磁场分量，可以沿矩形波导的横截面分布，也可以碱的传播方向分布。对于矩形波导中传输的枝型还有-种叫横?轍，即血点,它指的是电磁波只有 连直于传播方向的磁场分量，而对电场分量可以碱的传播方向，也可以沿垂直于波的 传播方向。下标加、询含义与琨裁相同。对于圆形波导管,其内部騎的主模是也h，即波导管的内壁周长正惰于半个波 卡，其鵝管半径也正好等于半个披长J对不龊此剝牛的高次籍圆波导传输晒2 2sw,传输距离自然很近,陨认为襁进価由于横电波中的电场握-定是垂直于波的镯方向，而与騎横电波的鶴管相 连接的輙天线,其口面场中的电场瓦，只能稲嫦中的电场处于同-方向,磁场比和 披导中的磁场同方此根

4、据这祥的分布特点,把与矩蹴导相釀的窄边y逐渐断（宽 込保持不变）构成的輙題，称为E面翩飘戏,如图651（b）所示;把与娜制应的宽边x逐渐张开（窄边y保持不变）构成的輙天线,称为H面 扇辦叭毬，如图651（潮示；惴畅疏幟幌胃肘蹶删跚删賤雌軸林川）麻紬麟觎1:1鍬眄1:1w Oh Bt,悴师虹仞励孤 删斬1:1:|1:1m删咖瞬就俪SIBBWBn mm1:11:11:12.2喇叭天线的口径场和辐射场分布与方向性2.2.1矩形喇叭天线口面场分布规律221.1矩形喇叭天线的口面场结构6-5-2 画出了一个矩为了说明喇叭天线的口面场结构，可用一个矩形喇叭来说明。图形扇形喇叭天线的场分布图。E掃形丽喇叽H

5、羸形面喇叭S 6-5-2拒皤崩丽喇叭天歩制丽因（1）当矩形波导前端面开口时，也同样能产生电磁辐射，只是因为口面直径太小，按 面天线理论，口面积越大，辐射场越强，方向性越好。这样由矩形波导前端面产生的辐射场强将较弱，方向性也相对较差。如果采用开口形状喇叭，口面积相对增大，辐射场也将增强；（2 ）当矩形波导前端开口时，将造成电磁波在波导内、外的存在空间不同。两个大小 不同的空间环境对电磁波呈现的阻抗也不相同，其结果就是电磁波在波导中形成驻波形式， 影响能量传输。如把波导开口做成喇叭形状，可以使电磁波由波导传到大空间时有一个渐变过程或过渡过程，这样能减缓阻抗的骤变，使电磁波在波导内传输时的驻波成份减

6、少，有利于提高能量在波导中的传输效率。（2）当矩形波导前端做成喇叭形状，电磁波载波道中的传输效率得到了提高，但由于喇叭和矩形波导形状上的差异，必将导致传到喇叭中电磁波的波阵面成为柱面（与矩形波导对应的喇叭）或球面形状（与圆形波导对应的喇叭）。这样在喇叭口面上形成的口面场Es成为非均匀口面场结构，即在口面上各点Es的相位和振幅大小不再相等，这将造成喇叭天线辐射场方向性变坏。2.2.1.2 矩形喇叭天线口面场相位分布特点根据天线辐射场一般表示式，其辐射场E和H最终是由口面场 Es决定的。因此对口面场Es的振幅和相位分析，就成为分析喇叭天线的首要问题。以H面扇形喇叭天线为例，并假定激励 H面扇形喇叭

7、的巨型波导 TE10型波。由于H面 扇形喇叭相当于矩形波导宽边 x逐渐扩展而成，因此其口面场 Es=Esy的相位将随宽边 x 坐标发生变化，与保持不变的窄边 y无关，或者说Esy相位沿窄边y保持均匀分布，如图6-5-3 所示。r6-5-3靈形喇叭的尺寸占坐标图中Dx、Dy为H面扇形喇叭天线的口径宽度；Rx、Ry分别为H面和E面扇形喇叭天线的长度；0为喇叭天线的顶点，也叫相位中心，相当于喇叭天线的辐射中心，或者说球面 波是由这样的一个虚设点发出的。在图6-5-2和图6-5-3中，把口面场 Es=Esy沿宽边x和窄边y的相位关系表示成：2-:x 二 k(OM -00)(0M - Rx)匕；=0(E

8、sy相位与y坐标无关)(6-5-1)而 0MR；x2,所以=(R；x2 - Rx)由于H面扇形喇叭天线的等效长度 Rx一般远大于其口面尺寸幕级数把(6 -5 -1)展开，可得到：Dx、Dy，即卩Rxx，利用只保留x2项，得到:2Rxji与此对应的相移量最大值为:xmaxx4(2Rx)2(6-5-3)(6-5-4)Dx24 Rx(在喇叭口面边沿处)(6-5-5)这就是说，对H面扇形喇叭天线，其口面场Esy方向虽沿窄边y轴方向，但其相位却沿变化了的宽边x方向发生变化。当设口面中心 O为相位零点，在口面 x方向边沿位置,口面场Esy具有最大相移量xmax4Rx显然相位随坐标变量成平方率分布。Ry在y

9、轴边沿处相移量最大值ymax按同样道理，对于 E面扇形喇叭天线，由于窄边 y逐渐张开，其口面场 Esy相位沿y轴 方向也一定发生变化，而相位沿宽边x轴却保持不变，用数学式子表示出来就是：(6-5-6)对楔形角锥喇叭天线，由于宽边 X、窄边y同时逐渐张开，在这两个方向上口面场相 位也会按平方率变化，用数学式子表示出来就是：2 yRy与此对应的相位最大值为X、窄边 = xymax，相当于沿变化了的宽边y 4RxRyy均按平方率变化。2.2.1.3 矩形喇叭天线口面场振幅分布对于矩形喇叭天线，可以看成是由矩形波导沿不同边逐渐张开而形成，因此，在矩形喇叭天线中，其口面场相位除随变化边坐标按平方律分布外

10、，振幅总是随宽边x按余弦规律分布。把三种喇叭天线口面场振幅和相位随宽边x和窄边y的分布用数学式子表示出来就是：Cl） E面扇形揪兀JTL召=毘cos（寺）产旨氐.=0I打L 恥。碍）冷0I爲=%心（#）广亍(6-5-8)(659)(6-5-10)C4）圆锥略叭天线对于和圆波导相连接的圆锥喇叭天线，当用丁血】波型激励时，其口面场分布更为复 杂.在此不做讨论。由此可见，对于和矩形波导连接的楔形喇叭，不管其口面场Es=Esy沿那个边张开形成，其振幅沿窄边y轴方向是均匀的，而沿宽边x方向振幅按余弦规律变化；而相位却随变化的 那条边按，平方率变化。正因为喇叭天线口面场分布不均匀，导致喇叭天线辐射场方向性

11、较差，因而它只能作为一般面天线的照射器，而不能作为独立的面天线使用。222喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭根据本章第三节的讨论结果，只要把各种喇叭天线口面场分布函数带入口面辐射场 般表示式中，即可得到喇叭天线的辐射场何方向函数。把E面扇形喇叭口面场分布函数代入E面辐射场表示式中，并令参数Dys =8lyly =(R；D2 1，其中Dy为y方向口径最大值，可画出E面扇形喇叭天线 E面方向图。把H面扇形喇叭口面场分布函数代入H面辐射场表示式中，并令参数lx =（R；字）24，其中Dx为x方向口径最大值，可画出H面扇形喇叭天线 H面方向图。图6-5-4 E 面喇叭的E面方向图 图6-5-5 H 面喇

12、叭的H面方向图在图6-5-4中，s=0,即ly-或Ry曲线对应等的幅同相位口面辐射场（均匀口面场）的E面方向图。图6-5-5中，t=0,即卩lx或Rx“曲线对应振幅按余弦同相位口面辐射场 H面方向图。由以上两图可见，把s=0和t=0对应的口面辐射场与 st不等于0的方向图作比较，其最明显的差别有两点：零点消失，主瓣变宽；过大的口面场相位偏差使二-0不再是最大的辐射方向，而整个喇叭天线的辐射方向图形类似马鞍形。对于喇叭天线，为了获得较好的辐射方向图，使最大辐射方向保持在-0方向位置上,也就是沿着喇叭天线口面的法线方向，工程上规定E面扇形喇叭口面场的最大相位差不超过，也就是：2； 2二 Dy 二:

13、y max-4 R-2对于H面扇形喇叭，保持最大辐射在- 0方向上，规定其口面场最大相位偏差为:.3 :_ 4这一数值比E面扇形喇叭的限制宽松。 这是因为H面扇形喇叭口面场振幅岁呈余弦分布，但在口面边沿位置其振幅绝对值较小，这样即使在该位置有较大的相位偏差，对整个H面扇形喇叭天线辐射场方向性影响仍不会太大。根据面天线方向系数计算式可得到楔形喇叭天线的方向系数为:兀 扎AddhDe)其中DH与De分别为H扇形喇叭河E面扇形喇叭的方向系数，它们的大小为:Dh4二 DyRx22飞一gm沏(6-5-15)De64DDRyC2(w) S2(w)_ Dy其中C(u)和S(u)为菲涅尔余弦和正弦积分，即:u

14、 H 2C(u)工：0 cos(21 )dt而其它参变量为：S(u)u 二 2osin(2t )dt1u=(图 6-5-6人 RxDxDx ) RxH面扇形喇叭天线的方向系数和W= DL-2 RyE面扇形喇叭天线的方向系数随其口径相对尺寸 匹 和 B 的关系曲线。为了消除方向系数对口径尺寸 Dx和Dyxy的依从关系，图中纵坐标表示2与dh、2与De的乘积，只要把从曲线纵坐标中查出的数值乘以 鸟 和D1，就可得到不同口径面喇叭天线的方向系数DH与De数值。图6-5-6 H 面扇形喇叭的方向系数图6-5-7 E 面扇形喇叭的方向系数由图656可以看出，对一定的& （或匚），当p较小时，方向系数随口面尺寸。増 加而单调增加，当Q增大到某一定值（&或匚与卩有关）时，方向系数最大。纟蟒増 大 方向系数反而减小这是因为随着口面尺寸0増大，口面上按平