天线原理与设计—第六章口径天线和喇叭天线
第六章 面天线
s
S b a
z
1 1 kb sin 2 1 2 ka sin 2
(1 cos ) sin 1 FE 2 1 (1 cos ) sin 2 FH 2 2
y ds(xs , ys ) x R r y M(r , , ) x
s
S b a
dEH j
z
1 2 r
(1 cos ) E y e jkr dse
Im I O
4、惠更斯源辐射场
dEE j dEH j
1 2 r 1 2 r
(1 cos ) E y e jkr dse (1 cos ) E y e jkr dse
1 FE ( ) FH ( ) (1 cos ) 2
dse
dEH j
1 2 r
(1 cos ) E y e jkr dse
y ds(xs , ys ) x R r
y
M(r , , ) x
s
S O
z
二、平面口径辐射
当观察点很远时，可认为R与r近似平行，R可表示为
R r s er r xs sin cos ys sin sin
( E y dy )dx 2 r
e jkr ea
4、惠更斯源辐射场
在研究天线的方向性时，通常更关注两个主平面的情况， 所以只讨论面元在两个主平面的辐射。H平面（xOz平面） Il jkr
面内，电基本振子产生的辐射场为 2 r
H j
sin e
I l 1 jkr 60 Il jkr m jkr dse E j dEH j e (1 E E y e sin e sin cos ) j 2 r 2 r r y x H E E 0 Hr I ml1 x 0 jkr jkr r H j j dEe dx E y esin e r dse 2H r 0 J r dE E 2
天线原理与设计—第六章口径天线和喇叭天线
天线原理与设计—第六章口径天线和喇叭天线口径天线是一种特殊的天线，其工作原理是通过改变天线口径的大小以实现方向性辐射。
喇叭天线则是一种具有喇叭形状的天线，其主要功能是对电磁波进行聚焦或分散，从而实现天线的增益和波束的调控。
本章将介绍这两种天线的基本原理和设计方法。
6.1口径天线6.1.1口径天线的基本原理口径天线的基本原理是利用天线口径的大小来控制电磁波的发射和接收方向。
根据狄拉克定理，天线辐射的功率密度与天线口径的平方成正比。
因此，通过改变天线口径的大小，可以调整天线的辐射功率和波束的方向性。
一般情况下，口径天线的口径越大，辐射功率越大，波束的方向性越好。
6.1.2口径天线的设计方法口径天线的设计方法主要包括天线口径的确定和辐射模式的设计。
天线口径的确定需要考虑到工作频率、辐射功率和波束方向等参数。
一般情况下，口径天线的口径选取为波长的几倍，以保证天线的辐射效果和方向性。
辐射模式的设计则需要根据具体的应用要求，确定天线的辐射方式和波束的形状。
6.2喇叭天线6.2.1喇叭天线的基本原理喇叭天线是一种特殊形状的天线，其主要功能是将电磁波进行聚焦或分散，从而实现天线的增益和波束的调控。
喇叭天线的基本原理是利用喇叭形状的反射面将电磁波进行反射和聚集。
喇叭天线可以分为抛物面喇叭天线和双曲面喇叭天线。
抛物面喇叭天线主要用于聚焦电磁波，而双曲面喇叭天线主要用于分散电磁波。
6.2.2喇叭天线的设计方法喇叭天线的设计方法主要包括反射面的确定和波束的调控。
反射面的确定需要考虑到工作频率、波束宽度和聚焦距离等参数。
一般情况下，抛物面喇叭天线的反射面采用抛物线形状，双曲面喇叭天线的反射面采用双曲线形状。
波束的调控则需要通过反射面的形状和尺寸来实现，一般情况下，反射面的大小越大，波束的调控能力越好。
综上所述，口径天线和喇叭天线是一种特殊的天线，其工作原理是通过改变天线口径的大小和喇叭形状来实现方向性辐射和波束的调控。
口径天线通过改变天线口径的大小来控制电磁波的发射和接收方向，而喇叭天线则通过喇叭形状的反射面将电磁波进行聚焦或分散。
喇叭天线
y=b/2,xz 面 z=0,xy 面
x=a/2,yz 面
H sin x sin t z ； H － H 0 sin x sin t z xt 0 2 2 h a h a a a H zt H 0 cos x cos t z a
H y x, y, z
n m
j m n m Emn cos x sin ye γz (10 94d ) 2 h a b a
j m n γz m H mn sin x cos ye 10 104b 2 h a b a n m m n γz m H x x, y, z 2 H mn sin x cos ye 10 104c a b a n m h n n γz m H y x, y, z 2 H mn cos x sin ye 10 104d b b a n m h E y x, y, z
E z x, y , z 0 n γz m H z x, y, z H mn cos x cos ye (10 103) a b n m j n n γz m Ex x, y, z 2 H mn cos x sin ye 10 104a h b b a n m
a=2b矩形波导中λc分布图
当λ>2a时，全部的模式被截止；当2a > λ>a时，只有TE10波存在，其它模 式被截止；当λ< a 时，才有其它模式存在，则当工作波长 a< λ<2a的条件 下。实现单模传输，而且单模传输的唯一模式就是TE10,模（矩形波导工作在 TE10单模传输情况下 ）。通常为了实现TE10模的单模传输选
口径天线口径天线
第8章 口径天线
第8章 口径天线
第8章 口径天线
把式(8－2 )代入式( 8－1 )，得到 ϕ x 的无穷级数展开式 为
由于 取第一项为
则沿口径面上任意点 M 的相位偏移近似地
第8章 口径天线 x = d 1 / 2 时，边缘上 A 点的相位偏移最大为
与喇叭相连的矩形波导内通常传输主模为 TE10 模，场 的振幅沿宽边为余弦分布。因而，喇叭口面的电场分布为
第8章 口径天线
图 8.6 标准增益矩形喇叭的方向性和口径效率
第8章 口径天线
5. 波纹喇叭天线 波纹喇叭天线是为了进一步改善天线特性而提出的。以 图 8.7 所示的普通的圆锥喇叭天线为例，由于其在终端开口 处同外空间不连续，喇叭内 E 面的传导电流绕过喇叭口径 流到喇叭外壁上，因而导致较大的副瓣，使方向图很粗糙。 但是 H 面因为边缘场强较小，传导电流是横向的，不会沿 纵向绕到喇叭外壁上，因此 H 面边缘的绕射现象不严重， 如图8. 8 所示。
第8章 口径天线 同理，对于 E 面扇形喇叭，口面沿 y 轴向上任意点的
相位偏移为
y = d 2 / 2 时，边缘上最大位移偏移点的相位偏移为
第8章 口径天线 喇叭口面的电场分布为
对于角锥喇叭来说，当中心点相位为0时，口面上任意点的 相位偏移为
第8章 口径天线 顶角处最大相位偏移点的相位偏移为
第8章 口径天线
8.1 喇叭天线
8. 1. 1 喇叭天线分类及应用 1. 喇叭天线的种类、结构和特点
根据惠更斯原理，终端开口的波导可以构成一个辐射器，但 是波导口面的电尺寸很小，辐射方向性弱。而且，在波导开 口处波导与开口面外的空间不匹配，会产生严重的反射，不 宜作为天线使用。将波导的截面均匀地逐渐扩展，形成如图 8.1 所示的喇叭天线。这样不仅扩大了天线的口面尺寸，同 时改善了口面的匹配情况，从而取得了很好的辐射特性。
第6章面状天线
6.4.2 矩形喇叭天线口面场分布规律
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。右图 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；
卡塞格伦天线的工作原理是， 根据双曲面的性质，由F2发出 的电磁波被副面反射，其反射 的电磁波方向可以看成是共轭 焦点F1发出的射线方向。又因 为F1是抛 物面的焦点，所以， 由F2发出的电磁波经副反射面 和主反射面反射后，在口径面 形成同相场，从而得到平行于 轴向的电磁辐射波。
其他类型的天线
微带天线
因此球解空间某一点场强时，不一定从激励源 出发求解，可以把实际场源产生的波的某一波 前面上场强分布作为次级波源来求解。
S1
S2
S2 S1
6.1.2 等效原理
V0
V0
S2
V1
E1
H1
E1
H1
n
S2
S1
V1
n E2
H2
E1
H1
J
J
m
s
S1
天线原理与设计
天线原理与设计天线是无线通信系统中的重要组成部分，它的设计和原理对于无线通信系统的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。
本文将对天线的原理和设计进行详细的介绍，希望能够帮助读者更好地理解和应用天线技术。
首先，天线的原理是基于电磁波的辐射和接收。
在无线通信系统中，发射天线将射频信号转换成电磁波进行传输，而接收天线则将接收到的电磁波转换成射频信号进行解调。
因此，天线的设计需要考虑到频段、增益、方向性、极化等因素，以实现最佳的通信性能。
其次，天线的设计需要根据具体的应用场景和需求来进行。
不同的应用场景需要不同类型的天线，比如室内分布式系统需要采用室内覆盖天线，而室外覆盖系统则需要采用室外定向天线。
此外，天线的设计还需要考虑到信号的覆盖范围、干扰抑制、多径效应等因素，以确保通信系统的稳定性和可靠性。
在天线设计中，还需要考虑到天线的匹配和阻抗匹配问题。
天线的输入阻抗与信号源或接收机的输出阻抗需要匹配，以确保最大的信号传输效率。
因此，天线设计中需要考虑到天线的阻抗特性和匹配网络的设计，以实现最佳的匹配效果。
此外，天线的材料和结构也对其性能产生重要影响。
天线的材料选择和结构设计需要考虑到频段、环境适应性、制造成本等因素，以实现最佳的性能和成本效益。
综上所述，天线的原理和设计涉及到电磁波辐射和接收、应用场景和需求、匹配和阻抗匹配、材料和结构等多个方面。
在实际应用中，需要综合考虑这些因素，进行合理的天线设计，以实现最佳的通信性能和覆盖范围。
希望本文能够对天线的原理和设计有所帮助，也希望读者能够在实际应用中充分理解和应用天线技术，为无线通信系统的性能和覆盖范围提供有效的支持。
天线原理与设计
H 面
H面 E面
表0-1 上图所示的八木天线和角锥喇叭天线的E面和H面 及其方向图函数表示
■ 七元八木天线的H面方向图
返回
(a) 极坐标幅度方向图
(b) 直角坐标幅度方向图
(a) 极坐标分贝方向图
(b) 直角坐标分贝方向图
图中是以八木天线的H面归一化方向图函数
FH(φ)＝F(θ,φ)|θ=90 计算并绘制的。
五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现后，人类进入了宇宙空 间时代，航空航天技术的发展对天线的研究又提出了许多新的课题， 这时要求解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速扫描和精密跟踪 等问题。
六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这个时期在天线理论方法方面以及各 项技术的应用方面都在突飞猛进的发展。
(1)在天线理论方法方面
的函数图形。大多情况下，天线方向图是在远场 区确定的，所以又叫做远场方向图。
天线辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相位 和极化。因此，天线方向图又分为：
■场强方向图 ■功率方向图 ■相位方向图 ■极化方向图
●天线方向图形式
二维方向图
三维方向图
极坐标方向图 直角坐标方向图 球坐标方向图 直角坐标方向图
(2)在天线技术应用方面
卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线 的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面 天线馈源。
雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉 冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。
半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波 甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带 化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、 印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。
到了80年代，由于电子计算机和超大规模集 成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相 器等日趋成熟及成本的大幅降低，以及数字波束 形成技术、自适应理论和技术、低副瓣技术以及 智能化理论和技术的不断发展，使得80年代成为 国际上相控阵雷达大发展的年代。先进国家研制 了多种不同用途的战略、战术相控阵雷达。我国 也不例外，到1993年，我国的相控阵雷达不仅在 军用国防及航空航天中得到广泛使用，而且已经 从军用扩展到了民用。
口天线径原理
十二讲：口径天线（一）(唯一性定理。
等效原理。
口径问题中等效原理的应用。
均匀矩形口径。
渐削矩形口径。
)前言口径天线包含了一大类天线，它们通过口径发射电磁波。
这些天线在声学中有一些类似物：喇叭筒和抛物形话筒。
还有，人眼的瞳孔是光频电磁波的一个口径。
在射频段，口径天线的例子是喇叭，波导孔和反射器。
在UHF 及更高频率时，常用口径天线。
因为口径天线的增益按工作频率的平方增加。
为了使口径天线变得高效，方向性强，需要让口径面积不能比波长的平方小。
显然，这些天线在低频状态下是无法工作的。
另外，口径天线还有一些突出的特征：它的实时输入阻抗可以计算、可以与波导馈电相结合。
等效原理的应用促进了口径天线的分析。
这一方法可以让我们在无限远处进行辐射口径和天线的远场分析。
等效原理需要了解口径切向场部分的知识。
1、唯一性定理只要体积[]V S外的源和沿S 的边界条件不变，那么电磁场就是唯一的。
利用坡印廷定理的积分形式来证明唯一性定理：坡印廷定理说明了电磁系统的能量守恒定律。
假设一个给定源和边界条件的电磁场问题有两个解：⎪⎭⎫ ⎝⎛H E a a ,，⎪⎭⎫ ⎝⎛H E b b ,。
然后形成了不同的场：因为不同的场没有源，所以它将满足（12.1）的无源形式：由于两个场在S 处满足相同的边界条件，所以0=E δ，0=H δ。
这样我们得到：当且仅当式、成立时才正确。
如果我们假设有轻微的损耗，那么只有在体积[]V S内任意一处满足0==H E δδ时，方程（12.5）才能成立。
这样就得出了解的唯一性。
如果0=σ（物理上不存在，通常用作近似），()H E δδ,的多重解也许会在自谐振模式的结构中存在。
在开放性环境中，谐振在整个区域中是不可能存在的。
注意，当且仅当在边界的任何地方都有0=E δ或0=H δ时，唯一性定理才有效。
2、等效原理等效原理遵从唯一性定理，它构建了更简单的方法解决问题。
只要在等效问题中保持沿S 的边界条件与初始问题相同，那么[]V S外的场就是唯一的。
《微波技术与天线》第六章 天线.ppt
29
天线的的方向图参数
旁瓣电平
指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平（dB）。 不需要辐射的区域电平应尽可能低。
前后比
最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平 之比。（dB）
2020/4/27
30
天线的的方向图参数
方向系数D
在离天线某距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功
率流密度Psmax 与相同辐射功率的理想无方向性天线 在同一距离处的辐射功率流密度Ps0之比（dB）。
21
基本振子的辐射
结论
比较电基本振子的远区场Eθ与磁基本振子的远区 场Eφ，可以发现它们具有相同的方向函数|sinθ|, 而且在空间相互正交，相位相差90°。
所以将电基本振子与磁基本振子组合后，可构成 一个椭圆（或圆）极化波天线。螺旋天线为该情 况。
2020/4/27
22
天线的电参数
天线方向图参数 天线效率 增益系数 极化特性 频带宽度 输入阻抗 有效长度
设有一电阻RΣ, 当通过它的电流等于天线上的最大电 流时, 其损耗的功率就等于其辐射功率。
辐射电阻的高低是衡量天线辐射能力的一个重要指标： 辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。
A
R R RL
1 1 RL
R
中长波和电尺寸很小的天线中：R∑小， RL大，ηA小， 仅百分之几； 202超0/4/27短波、微波，电尺寸可以做的很大， ηA→１。 35
如果通信的一方是剧烈摆动或高速运动着的，为了提 高通信的可靠性，发射和接收都应采用圆极化天线。
如果雷达是为了干扰和侦察对方目标，也要使用圆极 化天线。典型的例子是车载GPS常用的圆极化天线。
在人造卫星、宇宙飞船和弹道导弹等空间遥测技术中， 由于信号通过电离层后会产生法拉第旋转效应, 因此 其发射和接收也采用圆极化天线。
喇叭天线喇叭天线
一、课题背景电磁喇叭天线是最简单而常用的微波天线。
它的主要优点是结构简单，馈电简便，便于控制主面波束宽度和增益，频率特性好且损耗较小。
它由波导逐渐张开来形成，其作用是加强方向性，这与声学喇叭的原理相似。
若主模TE10的矩形波导的宽边尺寸扩展而窄边尺寸不变则称为H 面扇形喇叭；若窄边尺寸扩展而宽边尺寸不变，则称为E 面扇形喇叭；若矩形波导的两边尺寸都扩展，则称为角锥喇叭。
圆锥喇叭由载TE11模的圆形波导扩展而成。
可见喇叭天线起着将波导模转换为空间波的过渡作用，因而反射小，使其输入驻波比低且频带宽。
喇叭天线广泛用做各种反射面天线和透镜天线得到馈源，也用作微波中继站的独立天线和测试天线增益的标准天线。
(1)E 面扇形喇叭 (2)H 面扇形喇叭 (3)角锥喇叭 (4)圆锥喇叭图1 几种常见的喇叭天线喇叭天线就其结构来讲可以看成两大部分构成：一是波导部分，横截面有矩形，也有圆形；二是真正的喇叭天线部分。
波导部分相当于天线中的馈线，是提供喇叭天线信号和能量的部分。
喇叭天线可视为张开的波导。
喇叭的功能是在比波导更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性能。
矩形波导中的TE10模传输到波导和喇叭的口面时，口面上的波可以作为次级源再次辐射。
普通喇叭天线结构原理图如图2所示。
图2 喇叭天线结构辐射图T次 级源次级源二、喇叭天线尺寸计算2.1、公式推算本设计需要设计一个K 波段（18GHz-26.5GHz ），用WR-42矩形波导来馈电，最大增益大于15dB 的喇叭天线。
喇叭天线波导部分可百度查阅K 波段标准矩形波导尺寸得到，矩形波导的长度可选为 1.2*λ。
典型的角锥喇叭的尺寸如下图所示。
(1)几何结构(2)X-Y 面横截面(H 面)(3)Y-Z 面横截面(E 面)图3 角锥喇叭几何关系由[1]知H R 一定，有一最佳的喇叭口径宽度h a ，并发现其近似规律为H h R a λ3=(1)同理，E R 一定，有一最佳的喇叭口径宽度h b ，并发现其近似规律为H h R λ2b =(2)由图3(b)(c)根据相似三角形原理得：h H a aR R -=1(3) hE b bR R -=1(4) 224223432383ah a hhe G a e b G aa a πλπλ=+-(5) 直接求此4次方程的根相当复杂，但可以用数值计算的软件求解也可以用试凑法求解第一种近似解为G a h λ45.0=(6)喇叭天线的欧姆损失很小，因此其方向系数就是增益即a h h e b a G 24λπ=(7)设计步骤如下：1、用试凑法解出式(5)中的h a ，取51.0=a e 。
喇叭天线基础理论
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米波段內的面天线，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，必须釆用自身屏蔽效果很好的波导管作馈线。
田6-5-1晋通痢叭天攵邛i5构廉理田图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TEnm，英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TEw模,对于姗皴辱管，其內部劇的主鯉,也叫議是％型，称膨电战该电磁枝械导管纵向理以行播方離输，畅分量胸垂直波能播方耐即沿毓踽訥窄边理方亂大小財沿宽边X轴作变北，且为驻波分布，即要槻边油機正妊等于半个瞅刍把理枝中宽边也度等于半瞅纟整数倍的其它齡为高熾或2 2高次模，高次模械导传输糠减瞰频率更高的高次犍至不能砌皴导中传轨对于现渡中的磁场分量可以沿^形披寻的横截酚帝也可以沿披的传播方冋分布。
对于矩开皴导中传输的波型还有-种叫橫蹴，即皿点，谢鮒是电磁波只有垂直于传播方向的磁场分量，而对电场分量可以蹴囱传播方亂也可牆垂直于波的传播方亂下标处询含义与乓波相同。
肝删披导亀其内部翳的主模是岛，即波寻管的内«正牆于半饨拌,其鵝管半径也正好等于半饨长刍对不龊此条件舸高次模沿鹼離树2 2衰淞度很快,传輸距离自綁近,陨认为不能进施由于横电械中附电场握-定是垂直于枝的传輪方阿而与翳横电躺鵝管相连接瓣叭天练棊口面场中的电场£,只能碱导中的电场处于同」方亂磁场ffjD 嫣中的磁场同方航根駆祥的分布特為耙与矩蹴导相翳膵如逐渐断（宽茲保持不变）构成朋叭砂,称为E面就飘雉,脈651（b）所示；把与劇斤对应的宽边x逐渐张开（窄边y保持筱）构成的輙天统称为H 面扇辦叭袈，如图淸・1（潮示;蝶晰瞬遞喇渝删»»删熾蒯獅翩熾帼，加侨ffiWl XWWB a»E«W»S 删 g«»W»to IWW 珈mOB MWSttMMW2.2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。
天线原理与设计—第六章口径天线和喇叭天线
dE j
7.1 口径天线
空间场的惠更斯元解法
可以得到E面(xoz)内的电场为：
60 e jkr 60 e jkr dE e j I x dxdysin(90- ) j H y dxdycos r r e jkr j Ex dxdycos 2 r
dE m
e jkr e jkr j I my dxdysin90 j Ex dxdy 2 r 2 r
E面总电场为：
dE dE e dE m e jkr j Ex dxdy (1 cos ) 2 r
7.1 口径天线
7.1.2空间场的惠更斯元解法 可以得到H面(yoz)内的电场为：
H面
jkabE0e jkr sin(k0b / 2sin ) ˆ E(x,y,z ) 2 r k0b / 2sin jkabE0e jkr sin(k0 a / 2sin ) ˆ E(x,y,z ) cos 2 r k0 a / 2sin
7.1 口径天线
矩形同相口径
上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性
喇叭起着将波导模转换为空间波的过渡作用，因而天线输
入驻波比低且频带宽
7.2 喇叭天线
不同种类的角锥喇叭天线
7.2 喇叭天线
不同种类的圆锥和双锥喇叭天线
7.2 喇叭天线
角锥喇叭
由矩形波导馈电，主模为TE10模。喇叭口面上的场分布为：
E y (x , y ) E0 cos(
y x E0 b a z
7.1 口径天线
矩形同相口径
远区辐射场
jkabE0e jkr sin u sin v ˆ ˆcos cos ] E(x,y,z ) [ sin 2 r u v
天线原理与设计4.3 喇叭天线
H面喇叭
E面喇叭
角锥喇叭
图6―3―1 普通喇叭天线
圆锥喇叭
6－3 喇叭天线
（1）喇叭天线结构
（2）口径场分布
（3）远区场 由6-2-3 and6-2-4 积分得到E面和H面的辐射场
（4）口径天线电参数
角锥喇叭天线结构尺寸与坐标 LH
y
LE
x
a
OH
OE
b
bh z
ah
a、b为波导的宽边和窄边尺寸;ah、bh为相应的口径尺寸。OE、OH分别为E面、H面 的顶点； LE、LH分别为E面和H面长度; LE≠LH时，为楔形角锥喇叭；当LE=LH时， 为尖顶角锥喇叭；当ah=a或LH=∞时，为E面喇叭；当bh=b或LE=∞时，为H面喇叭。 喇叭天线可以作为口径天线来处理。喇叭天线的口径场可近似地由矩形波导至喇叭 结构波导的相应截面的导波场来决定。
叭口径场为：
x
x2 LH
,当x
a2h x时出现xL2最大4相axm2位x2偏移 2，ax2xmxm
平方率的相位分布 ah2 4 LH
y
y2 LE
,当x
bh 2
时出现最大相位偏移，ym
bh2 4 LE
x
y
xs2 LH
ys2 LE
, 最大相位偏移 m
4
ah 2 LH
bh 2 LE
(6 3 2)
Es
Ey
E0
cos xs
ah
e ，H
j
xs2 LH
ys2 LE
喇叭天线设计范文
喇叭天线设计范文喇叭天线是一种常见的天线类型，它通过产生和放大电磁波来传输和接收信号。
喇叭天线结构独特，可以提供增益和方向性，使其在许多应用中都表现出色。
在接下来的1200字以上中我们将深入探讨喇叭天线的设计原理和应用。
喇叭天线的设计原理基于天线的形状和尺寸。
它通常由一个底部进口和一个底部出口组成。
进口和出口的大小和形状决定了天线的频率和频带宽度。
进口是天线的输入段，用于接收或发射电磁波。
出口是天线的输出段，用于辐射或接收电磁波。
在进口和出口之间的区域称为导向段，用于引导电磁波。
喇叭天线的设计可以分为两个主要方面：频率响应和辐射特性。
频率响应是指天线在特定频率范围内的工作效果。
喇叭天线的频率响应主要取决于喇叭的形状和尺寸。
为了实现宽带频率响应，天线的进口和出口需要适当的增大。
进口的大小要确保信号的完整性，而出口的大小要确保信号的放大和辐射。
喇叭天线通常用于高频段的应用，例如雷达、通信和卫星通信。
辐射特性是指天线在空间中辐射或接收电磁波的能力。
喇叭天线通常具有良好的方向性，这意味着它可以将信号集中到特定的方向上。
方向性是通过喇叭的形状和导向段的长度来实现的。
较长的导向段可以提高天线的方向性，但也会减少天线的频带宽度。
因此，在设计喇叭天线时需要权衡方向性和频带宽度的需求。
喇叭天线在许多应用中都有广泛的应用。
它们常用于雷达系统中，用于探测和跟踪目标。
喇叭天线在雷达系统中提供了高增益和方向性，能够有效地检测远处的目标。
除了雷达系统，喇叭天线还广泛应用于通信和卫星通信系统中。
它们提供了较好的方向性和覆盖范围，可以实现远距离的数据传输和通信。
设计喇叭天线需要考虑多种因素，例如频率范围、增益、方向性、频带宽度、输入阻抗等。
可以使用各种电磁场模拟软件进行天线设计和分析。
这些软件可以模拟天线的电磁场分布，并提供关于天线性能的详细信息。
此外，实际的天线测试和优化也是设计过程中的重要步骤，可以通过改变天线的形状、尺寸和材料来优化天线的性能。
(整理)第六讲喇叭天线(09)
第六讲：喇叭天线喇叭天线：H面扇形、E面扇形、角锥喇叭喇叭天线可视为张开的波导口。
喇叭的功能是在比波导口更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性。
喇叭天线不算新天线，早在1897年就有人构造过。
为了使导行波的反射最小化，其转换区域，即介于波导的咽喉部位与自由空间的口径之间的喇叭段可制成指数率逐渐锥销。
但实用的喇叭一般都制成直线律张开。
一、H面扇形喇叭天线（一）、几何结构及坐标2D b=一段尺寸为a b ⨯的矩形波导口径沿H 面渐变，张开形成口经为1D b ⨯的喇叭—H 面扇形喇叭。
矩形波导的宽边为a ，窄边为b ，传输10TE 模，假定波导开口面上的场分布和波导内横截面上的场分布相同。
两个渐变壁的交线为Y 轴，口径法向为Z 轴，Y 与 Z 轴交O 点，口径中心为O ’点，1OO R H '=-称为面扇形喇叭的长度H H α-面扇形喇叭的半张角(二)、内场1、内场表达式假设喇叭无限长，采用圆柱坐标系(ρα，，y )，喇叭内为空气介质。
设波导传输横电模（TE 模），则内场为：(,,)(,,)(,,)(,,)(,,)y E y yE y H y H y H y αρραραρααραρρα⎧=⎪⎨=+⎪⎩ 由于H 面沿Y 向无变化，故场与Y 坐标无关，或说Y 向均匀分布。
(,,)(,)(,,)(,)y y E y E H y H ααρρραραραρα=⎧⎪⎨=⎪⎩ 在圆柱坐标系中，由Maxwell 方程可得关于内场的微分方程222222211()()0zk ρϕρρρρρϕ∂A ∂A ∂A ∂∇A =++∂∂∂∂∇+A =2柱坐标系中z 波动方程 222211()1y y y o yo E E k E Eyj H E j H ραρρρρραωμραωμρ∂∂∂=--∂∂∂∂-=∂∂-=∂ 其中，2200,k k ωεμ=为波数 可见，只需求解出y E 即可，,H H ρα由y E 求得。
微波技术与天线-天线(六)
★卡塞格伦天线
M
N
1、从双曲线的任一点P到两
焦点的距离差等于常数。即
F1
P
F2
z
2a
PF1 PF2 2a
2c
2、双曲线的任一点P的法线PN，平分由P点向两焦点的连线
F1P和F2P所构成的角 F1 PF2的补角 F1 PM ，即 。若
称为入射角，则 相当于反射角。因此，如果将馈源放到实
旋转抛物面天线两个重要性
质：
（1）点F 发出的光线经抛物面
反射后，所有的反射线都与抛
物面轴线平行；
（2）由F 点发出的球面波经抛
物面反射后成为平面波。等相
位面是垂直OF 的任一平面。
抛物面的几何关系
常用面天线介绍
★旋转抛物面天线
抛物面天线的结构参数有：
f：抛物面焦距；
2ψ0：抛物面口径张角；
R0：抛物面反射面的口径半径；
Jms
o
dy
φ
x
y
惠更斯—菲涅尔原理
★惠更斯元的辐射场
1、惠更斯面元在两个主平面上各只
有一个分量。
x (或 y)
2、在惠更斯面元的法向（ 0），
辐射场与面元上的场同方向。
E 0 // E s
H
0
// H s
3、惠更斯面元辐射场具有方向性。
1 cos
FH , FE ,
形成
a)
b)
a) E面扇形喇叭；
c)
喇叭天线的基本形式
b) H面扇形喇叭； c) 角锥喇叭；
d)
d)圆锥喇叭
图a是将矩形波导的窄壁尺寸扩展形成的E面扇形喇叭。
喇叭天线设计
1 课题背景喇叭天线是一种应用广泛的微波天线，其优点是结构简单，频带宽，功率容量大，调整与使用方便。
合理地选择喇叭天线尺寸，可以获得很好的辐射特性、相当尖锐的主瓣、较小副瓣和较高的增益。
因此，喇叭天线应用非常广泛，它是一种常见的天线增益测试用标准天线。
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。
普通喇叭天线结构原理图如1.1所示。
图1.1 普通喇叭天线结构原理图HFSS全称为High Frequency Structure Simulator，是美国Ansoft公司（注：Ansoft公司于2008年被Ansys公司收购）开发的全波三维电磁仿真软件，也是世界上第一个商业化的三维结构电磁仿真软件。
该软件采用有限元法，计算结果精准可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。
HFSS采用标准的Windows图形用户界面，简洁直观；拥有精确自适应的场解器和空前电性能分析能力的功能强大后处理器；能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场；自动化的设计流程，易学易用；稳定成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。
使用HFSS，用户只需要创建或导入设计模型，指定模型材料属性，正确分配模型的边界条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算并输出用户需要的设计结果。
HFSS软件拥有强大的天线设计功能，可以提供全面的天线设计解决方案，是当今天线设计最为流行的软件。
使用HFSS可以仿真分析和优化设计各类天线，能够精确计算天线的各种性能，包括二维、三维远场和近场辐射方向图、天线的方向性系数、S参数、增益、轴比、输入阻抗、电压驻波比、半功率波瓣宽度以及电流分布特性等。
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喇叭起着将波导模转换为空间波的过渡作用，因而天线输
入驻波比低且频带宽
7.2 喇叭天线
不同种类的角锥喇叭天线
7.2 喇叭天线
不同种类的圆锥和双锥喇叭天线
7.2 喇叭天线
角锥喇叭
由矩形波导馈电，主模为TE10模。喇叭口面上的场分布为：
E y (x , y ) E0 cos(
a1b1 DE DH 101.008 log10 2 LE LH ， （dB） 32ab
2
其中 LE 和 LH 分别为 E- 面和 H- 面的相位差引起的损耗，其 变化如下图所示。
7.2 喇叭天线
角锥喇叭天线的方向性系数
7.2 喇叭天线
ˆ xE ˆ x z ˆ x yE ˆ x ˆ xE I m n
应用电流元的远场表达式：
60 Idzsin jkr dE j e r Idzsin jkr dH j e 2 r I m dzsin jkr e 2 r
以及磁流元的远场表达式：
角锥喇叭天线的增益随频率的变化规律
H面总电场为：
dE dEe dE m e jkr j Ex dxdy(1 cos ) 2 r
7.1 口径天线
7.1.2 空间场的惠更斯元解法
空间任意点的电场为：
ˆdE ˆdE dE
jkr jkr e e ˆj ˆj Ex dxdycos (1 cos ) E x dxdysin (1 cos ) 2 r 2 r je jkr ˆcos ˆsin ) (1 cos )Ex dxdy ( 2 r
下图为根据上式得到的尺寸a = 3，b = 2的口径天线 的辐射方向图
7.1 口径天线
方向性函数 F(sinθ) = 0.707,可求得半功率波瓣宽度
E面 H面 旁瓣电平为 - 13.2 dB，口径效率为100% 口径效率计算公式如下，其中εa为口径效率
D =Dmax a 4
1
k
e jf3 F (t1 , t 2 )
7.2 喇叭天线
角锥喇叭天线的方向图
下图为1 =2 = 6, a1 = 5.5, b1 = 2.75, a = 0.5, b. = 0.25的角锥喇叭的辐射方向图
7.2 喇叭天线
角锥喇叭天线的方向性系数
DP 81 2 b b {[C (u ) - C (v)]2 [ S (u ) - S (v)]2 }[C 2 ( 1 ) S 2 ( 1 )] a1b1 2 1 2 1
7.1 口径天线
7.1.2 空间场的惠更斯元解法
在惠更斯元dxdy上场等幅同相，电场Ex和磁场Hy正交，
且Ex / Hy = 120π。则等效电流和磁流为
x R
r’
r
y dx dy
z
7.1 口径天线
7.1.2 空间场的惠更斯元解法 等效电流和磁流源
ˆ yH ˆ y z ˆ y xH ˆ y ˆ yH In
60 I x dxdysin90 jkr 60 e jkr dE e j e j H y dxdy r r e jkr j Ex dxdy 2 r
dE m j
I my dxdysin(90- ) 2 r
e jkr
e jkr j cos Ex dxdy 2 r
但为了实用方便，又需要喇叭尽量短。于是，介于两种极端 间的最优喇叭，应在给定长度下具有最小的波束宽度，同时 旁瓣不能过大（或具有最大可能增益）。
若δ相对于波长足够小，整个口面上的相位近似均匀。当
喇叭长度L给定时，其方向性随着口径和张角的增加而提高 （波瓣宽度变窄）。但当口径和张角过大时，喇叭口面边缘 处的场和中心部分的场相位相反，反而会降低定向性（增大 旁瓣）。
H面
jkabE0e jkr sin(k0b / 2sin ) ˆ E(x,y,z ) 2 r k0b / 2sin jkabE0e jkr sin(k0 a / 2sin ) ˆ E(x,y,z ) cos 2 r k0 a / 2sin
7.1 口径天线
矩形同相口径
2
Aem
因此，口径效率为81%
7.1 口径天线
不同场分布的矩形口径天线的特性参数
7.1 口径天线
不同场分布的矩形口径天线的特性参数
7.1 口径天线
圆形同相口径
7.1 口径天线
圆形同相口径
7.2 喇叭天线
喇叭天线是最简单而常用的微波天线 可以视为张开的波导，喇叭的功能是在比波导更大的口径
2
a
7.1 口径天线
矩形同相口径
余弦场分布
ˆ yE0cos( x), |x| a / 2, |y| b / 2, z 0 Ea a 0, 其它
辐射场方向性系数为：
D 8 4
3
2
ab 0.81
4
2
ab 0.81
4
2
Ap
4
七、口径天线和喇叭天线
7.1 口径天线
此类天线的辐射来
包括喇叭天线、抛物面天线等
7.1 口径天线
7.1.1 口径天线工作原理
此类天线的工作原理可以用惠更斯原理与等效原理来解
释（ Huygens’s Principle and Equivalence Principle ）
惠更斯原理：主波前上的每一点可以看成是一个新球面
波的源点，这些新球面波的包络构成新的波前
7.1 口径天线
7.1.1 口径天线工作原理
等效原理： 1936年由S. A. Schelkunoff提出，直接建立在
唯一性定理的基础上，是惠更斯原理的更精确表达
S Jsa = nHa Jsma = -nEa Js
7.1 口径天线
7.1.2 空间场的惠更斯元解法
惠更斯元的方向图函数为(1+cosθ)，其方向图如下：
空间总场可由惠更斯元 的场积分得到。惠更斯 实际上考虑的是自由空 间中的一个面上的场分 布所产生的远区场，不 考虑是否存在导体。
7.1 口径天线
矩形同相口径
均匀场分布
ˆ , |x| a / 2, |y| b / 2, z 0 E0 y Ea 0, 其它
dE m
e jkr e jkr j I my dxdysin90 j Ex dxdy 2 r 2 r
E面总电场为：
dE dE e dE m e jkr j Ex dxdy (1 cos ) 2 r
7.1 口径天线
7.1.2空间场的惠更斯元解法 可以得到H面(yoz)内的电场为：
60 I m dzsin jkr dH j e r
dE j
7.1 口径天线
空间场的惠更斯元解法
可以得到E面(xoz)内的电场为：
60 e jkr 60 e jkr dE e j I x dxdysin(90- ) j H y dxdycos r r e jkr j Ex dxdycos 2 r
7.2 喇叭天线
角锥喇叭天线的方向图
经过复杂的推导得到角锥喇叭天线的辐射场为：
E0e jkr E j sin (1 cos ) I1I 2 4r E0e jkr E j cos (1 cos ) I1 I 2 4r
其中：
I1 I2
1 2 jf1 , t 2 ) e jf2 F (t1 , t2 ) e F (t1 2 k
a1
x)e
jk (x, y )
(x, y) Hx
E0
cos(
a1
x)e jk (x, y)
1 x2 1 y2 波程差引起的相位差为： (x, y) 2 2 2 1
7.2 喇叭天线
为获得尽可能均匀的口径分布，要求非常长的小张角喇叭。
y x E0 b a z
7.1 口径天线
矩形同相口径
远区辐射场
jkabE0e jkr sin u sin v ˆ ˆcos cos ] E(x,y,z ) [ sin 2 r u v
通常仅考虑E面( =90)和H面( =0)内的方向图，可由 下面的方程画出：
E面