喇叭天线基础理论.docx

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董的部分对工作于厘米 波或毫来波段内的面天线，如采用线状馈线，将因馈线自身的辐射损耗太大不能把能董传送 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S 6-5-1昔国列叭天线第构原理图图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TE^,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，导致直为一常数，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TE’模,对于膨鷹管,基内部翳的麹型也叫攘是％型称腻电滋该电磁 齡枝导管纵向理师播方式传输，畅分量肅垂直波的牖方向，即協瞬鵝 管的窄如轴方亦大小要幣宽边询作变化，且为驻波分布，即要赖边個长度 正好等于半个献£ 0把聽彼中宽边长度等于半彼长f整数倍的其讹称为高次波或2 2高次極高次模蹴导传输时袁减很快,频率更高的高次籬至不能無形玻导中传输。

对于瞬中的磁场分量,可以阙皴导的横截面分布,也可以蹴的传肋向分布对于矩开皴寻中传输碱型还有-种叫横磁汎SPTM^f曲的是电磁枝只有 垂直于传播方向的磁场分量，而对电场分量可以蹴的传播方向，也可以沿垂直于波的 传播方向下标仪讷含义与琨俄相同肝圆鳩管,其内部翳的主模是珂］,即鵝管的内壁周长正瘠于半懺 长;其鹅管半径也胡等于半懒长2对不满足此条件的高次翱圆波飜輸吋,2 2衰减勰側％舗距离自綜近,陨认为确斷K由于横电波中的电场握-定是垂直于波的翳方亂而与㈱横电波的鶴管相 连接的輙天线,其口面场中的电场忑,只能和披导中的电场处于同-方向，磁场HJD 披导申的磁场同方此根据这祥的分布特点,把与矩蹴导相连接的翹y逐渐爲（宽 旺保持筱）构成的輙赵,称为E面翩飘雉,如图651（b）所示；把与翰询应的宽边谨新张开库边y保持不变）构成的輙天线,祢为H面 扇辦叽球，如图651⑴所示；sf h -勰sBwln .rnMfs Iwiws量 iw;嚣 in iii— Sri— 口SWB 暉釐gsgff«ss- 一上 呦苣談謹wsse厘書gses一一«2.2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2.2. 1. 1矩形喇叭天线的口面场结构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6-5-2画出了一个矩 形扇形喇叭天线的场分布图1) 当矩形波导前端面开口时，也同样能产生电殘辐射，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，将造成电礪波在波导内、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， 影响能董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I I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題以H面扇形喇叭天线为例，并假定激励H面扇形喇叭的巨型波导TEw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Ev = Esv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E,y相位沿窄边y保持均匀分布，如图6-5-3 所示S 6-53搓形嘲叭的尺寸占坐掠图中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E5=E5y沿宽边x和窄边y的相位关系表示成：△a =k(OM —00') =(6 — 5 — 1){△0、・=0（Esy相位与y坐标无关）而 OM =Jr： + x2,所以A0 = £（JR： + x2_RJA由于H面扇形喇叭天线的等效长度Rx —般远大于其口面尺寸Dx、Dy,即Rx»x,利用幕级数把（6-5-1）展开，可得到：A^v=—(— ,A 2 2R, (2R)(6-5-3)只保留f项，得到:(6-5-4)与此对应的相移量最大值为:兀D 2△ 0 = （在喇叭口面边沿处）g 42 R(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0'为相位零点，在口面x方向边沿位置,口面场Esy具有最大相移量帯,显然相位随坐标变量成平方率分布按同样道理，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)n D1在y轴边沿处相移量最大值o J 42 /<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：相当于沿变化了的宽边X、窄边与此对应的相位最大值为△札、z = £ （普TXy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，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面扇形楸1:1扇形喇叽「氏=0L瞩=民心（寺）「痣「眼=0-•迅/I 5 =氏 cos（詈'耳(6-5-8)(6-5-9)<3）瞬角锥喇叭「卩=0L嘉=瓦cos（寺）「時务(6-5-10)（4）圆锥喇叭林对于和圆波导相连接的圆锥喇叭天线，当用丁场】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2.2.2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11面场分布函数带入11面辐射场一 般表示式中，即可得到喇叭天线的辐射场何方向函数D2 把E面扇形喇叭II面场分布函数代入E面辐射场表示式中，并令参数s = —, 8加、.、D2 1/v =（/?； +-2-）-,其中Dy为v方向II径最人值，可画出E面扇形喇叭天线E面方向图 4D2 把H面扇形喇叭「I面场分布函数代入H面辐射场表示式中，并令参数U 十， 82/> > 一/,•=（& + 〒■）',其中Dx为x方向II径最大值，可画出H面扇形喇叭天线H面方向图8 7 6 5 4 30.0.u.o.a a卑-sint）、仁丿\\\\\\\、\4\\\1- 1\、\\\\\\¥\、Q 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 10.8.1.6d.4)3 o o o o o o图6-5-4 E面喇叭的E面方向图图6-5-5 H面喇叭的H面方向图在图6-5-4中，5 = 0,即ts或I?、, ts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，f = 0,即厶—8或人 too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二0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<9 = 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 趨过兰，也就是：2max =——• < —v 42 R、 2 D、<何7对于H面扇形喇叭，保持最大辐射在0 = 0方向上，规定其口面场最大相位偏差为:△0 max =——A 42OX

为了消除方向系数对口径尺寸£\.和0.V的依从关系，图中纵坐标表示仝与D”、仝与的乘■积，只要把从曲线纵坐标中查出 A 2的数值乘以亍和才，就可得到不同口径面喇叭天线的方向系数g与D。