天线工程设计基础 第8章

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
顶角处最大相位偏移点的相位偏移为 喇叭口面上的电场分布为 角锥喇叭随尺寸方向图变化动画如图8.3所示
图8.3 角锥喇叭随尺寸方向图变化动画
3. 矩形喇叭的最佳尺寸 在矩形喇叭的 E 面，口面场的振幅为均匀，相位按平
图8.2 H面、E面扇形喇叭几何参数图
如图 8.2 ( a )所示，到口面上 M 点的波程比到口面中心 处 O 点的波程长 MN 的距离。设口面中心处 O 点的相位偏 移为 0 ，则口面上任一点 M 的相位偏移表示为
一般 d 1 < R 1 ，所以 x < R 1 ，因此有
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
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
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
其中 G 0 表示没有误差影响，但包含口径渐削效率的增 益。通过计算扇形喇叭的方向性并扣除已知的渐削效率，就 能得到相位误差效率。这样处理的结果，作为误差参数 s 和 t 的函数，如图 8.5 所示。对最佳扇形喇叭， s =0. 25 和 t =0. 375 ，口径效率是最佳的。
图 8.4 角锥喇叭天线
Байду номын сангаас
由于角锥喇叭用作微波频段的增益标准，因此精确的增 益计算是重要的。角锥喇叭的方向性可以从下式较简单地求 得：
喇叭辐射效率 e r 接近于 1 ，所以取增益等于方向性。 还必须考虑两个效率，即口径渐削振幅效率 εt 和相位效率 εph。
其中， εap为 E 面和 H 面扇形喇叭天线的口径效率，把总相 位效率分解为分别由 E 面和 H面相位误差引起的两个因子， 则可将增益表示为
喇叭天线可以作为独立的天线，也可以作为反射面天线 及透镜天线的馈源，还能用作收发共用的双工天线。在天线 测量中，喇叭天线也被广泛用作标准增益天线。
2. 喇叭天线 为了确定喇叭天线的辐射特性，必须了解喇叭口面上场 的分布，即求解喇叭的内场。求解喇叭内电磁场常采用近似 的方法：认为喇叭为无限长，忽略外场对内场的影响，把喇 叭的内场结构近似看做与标准波导内的场结构相同，只是因 为喇叭是逐渐张开的，使得波形略有变化。在平面状的喇叭 口面上，场的振幅分布可近似认为与波导截面上相似，但是 口面上场相位偏移的影响则不能忽视。图 8.2 ( a )、( b )分 别表示 H 面及 E 面扇形喇叭的几何参数，下面来计算口面 场上的相位偏移。
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。
图 8.1 给出了几种常用的喇叭天线。当矩形波导的截面 仅在 H 面展宽时，形成 H 面扇形喇叭；仅在 E 面展宽时， 形成 E 面扇形喇叭；同时在 E 面和 H 面展宽则形成角锥喇 叭；由圆波导均匀展开形成圆锥喇叭。
图8.1 喇叭天线种类
喇叭天线是一种应用很广泛的微波天线。它具有结构简 单、重量轻、易于制造、工作频带较宽、功率容量大等优点。 合理选择尺寸，可以使喇叭天线获得良好的辐射特性、相当 高的方向系数、相当尖锐的主瓣和比较小的副瓣。
第8章 口径天线
8.1 喇叭天线 8.2 发射面天线
如前所述，天线按主体结构形式划分，可分为线天线和 面天线。早期的天线工作频段为短波、超短波，波长尺寸很 大，不能像光那样被反射、汇聚，因此天线的主要形式为线 天线，即采用线电流的形式来进行电磁分析和设计。但随着 天线工作频率的升高和实际应用中对高增益波束越来越多的 需求，为了产生高聚束的定向辐射，人们采用具有一定面积 的口径面来进行电磁辐射，形成了所谓的口面天线(也称为 口径天线)。目前，主要的口径天线包括喇叭天线和反射面 天线。
方率变化的情况下，当
ϕ
y
max
≈
π λ
d22 4R2
=
π2时，相位偏移对方
向性影响不大；相位偏移进一步增大，当 ϕy max >π2 时，主瓣
明显展宽，甚至在主辐射方向形成凹陷。所以，由 ϕ y max ≈
π λ
d22 4R2
=
π 2
，可以得到
d2
的最佳尺寸为
d 2 = 2 λR 2
(8-13)
在矩形喇叭的 H 面，口面场振幅按照余弦分布，相位 按平方率变化的情况下，由于口面场边缘相位偏移最大处的 振幅很小，相位偏移对方向性影响减弱，因而允许边缘相位
4. 角锥喇叭天线 矩形喇叭天线最流行的形式就是角锥喇叭天线，如图 8. 4 所示。这种结构会导致两个主平面内波束变窄而形成笔形 波束。角锥喇叭天线的口径电场为
其中： R 1 表示喇叭 E 面顶点到口径面的距离；R 2 表示喇 叭 H 面顶点到口径面的距离。
按照扇形喇叭使用的通用程序，可以得到一个辐射场的 普遍表示式。主平面方向图和扇形喇叭所得结果一样，因为 口径分布是可分离的，所以角锥喇叭的 E 面和 H 面方向图 分别等于 E 面扇形喇叭的 E 面方向图和 H 面扇形喇叭的 H 面方向图。
偏移较大，可达34π。由
ϕ
y
max
≈
π λ
d21 4R1
=
π 2
=
3π 4
，可得到
d
1
的最佳尺寸为
在最佳尺寸关系下， E 面和 H 面扇形喇叭的方向系数 均近似为
口径效率 η a =0.64 。此时，口面场的最大相位差为
在最佳尺寸关系下，角锥喇叭天线的方向系数及口径效 率分别为
喇叭天线的效率很高，η ≈1 。由 G ≈ η D ，可近似认为 它的增益和方向系数相等。