6.1 喇叭天线（上）在线视频

同学们好

本次课为大家介绍喇叭天线相关的内容

我是本节课的主讲 卢宏达

这次课的主要内容包括

关于喇叭天线的基本问题

和喇叭天线的设计要点

首先

我们关注几个与喇叭天线相关的基本问题

第一个问题

什么是喇叭天线呢

我们首先从它的英文名说起

Horn

顾名思义

喇叭天线与号角有着千丝万缕的联系

那么我们应该如何理解这种联系呢

这还要从微波的两个特性说起

我们都知道

微波既具有似光性

也具有似声性

似光性体现在

在大的电尺寸条件下

电磁波能够像光一样

实现高定向性的传播

同时

微波波段的波长

与地球上的一般物体相比

比如飞机 舰船等等

尺寸相当或小的多

当微波辐射到这些物体上时

将产生显著的反射 折射

这和光的反射 折射是一样的

而与我们本节课所讲的喇叭天线

具有直观联系的是微波的似声性

如我们看到的图中的例子

在很多公园中

搭建了这样的传声筒

在传声筒的端点处

我们常常会看到一个喇叭状的开口

既可以起到声音汇聚的作用

也可以让听声者听得更清楚

当然

生活中

我们也遇到过更多类似的设备

比如以前村口用来广播的大喇叭

留声机上的扩音器等等

虽然我们知道

与微波不同的是

声波在空气中多以纵波的形式呈现

但这种基于传声筒

和号角的声波传输与汇聚的方式

或多或少地启发了我们

对于微波天线的思考

比如 我们看到

常用来作为微波传输线的波导

便是微波频段的传声筒

而这种传声筒是不是也可以转换为天线呢

答案是肯定的

我们本节课要介绍的喇叭天线

便可以看做是按照一定规则张开的波导

波导张开成为喇叭天线的方式有很多

首先

我们思考的是

如何张开

如图中给出的

既可以按照直线张开

也可以设计复杂的渐开曲线

当然还要考虑

在哪一维张开呢

以矩形波导为例

我们知道矩形波导内的主模为TE10模

因此可以定义电壁和磁壁

而辐射场可以定义E面和H面

那么

矩形波导张开成喇叭天线的方式有几种呢

我们给出三种典型的例子

图中展示的是第一种

在H面展开

成为H面扇形喇叭天线

现在看到的是第二种

在E面展开

成为E面扇形喇叭天线

我们更常见的是第三种

在E面和H面同时展开

成为角锥喇叭天线

接下来我们进入第二个基本问题

就是该如何理解喇叭天线的基本原理呢

我们还是要从矩形波导说起

先要弄清它的模式特点

图中

给出了矩形波导中各个模式的工作波长范围

一般情况下

喇叭天线设计需要保证既避开截止区

又要避免高次模产生

保证单模传输

这张图给出了矩形波导中TE10模的电场分布

设计中

需要保留这种模式

而后面给出的几种高次模

截止频率距离TE10模最近

需要在设计中通过控制渐开结构

使得它们快速衰减

以不至于影响辐射性能

那么

波导到喇叭口面的尺寸变化

到底实现了什么功能呢

第一

通过辐射口径的扩展

提升了方向性

第二

实现了导行波到空间波的转换

保证了波阻抗匹配

那么

喇叭天线口面模式有什么特点呢

我们仍然以角锥喇叭天线为例

可以看到

喇叭口面场分布基本与矩形波导TE10模类似

从幅度分布特点上看

H面表现为渐削特性

E面表现为均匀特性

那么

相位分布遵从什么样的规律呢

这个问题我们先留给大家思考一会儿

稍后的讲解中会为大家揭晓答案

第三个基本问题是

喇叭天线有什么样的典型性能呢

图中展示的是

典型角锥喇叭天线的驻波比曲线

可以看到具有很宽的阻抗带宽

体现了行波天线的特点

从辐射方向图来看

具有很好的定向性和两维对称的波束

这也使得喇叭天线应用广泛

所以

引出我们的第四个基本问题

喇叭天线到底有什么用途

它经常被用于系统的初级馈源

比如 射电天文望远镜的馈源

它也被用在测控高精度定位系统中

如在天神对接中

微波频段的对接装置便使用了喇叭天线

或者

用作各种微波测量系统中的标准增益天线

第五个问题是

喇叭天线有哪些常见的形式

除了刚才我们提到的角锥喇叭天线以外

还有圆锥喇叭天线

那么为了提升波束性能

极化性能

还发明了波纹喇叭天线

为了获得超宽带性能

人们还设计了双脊喇叭天线

同时为了在超宽带基础上获得双极化性能

人们又发明了四脊喇叭天线

接下来

我们就来继续讨论一下喇叭天线的设计要点

我们仍然以角锥喇叭天线为例

图中

给出了角锥天线的截面示意图

并标出了典型的尺寸参数

包括天线长度L

天线口径宽度a

喇叭张角θ

射径差δ

参考我们之前讲到的内容

天线长度

天线口径和喇叭张角都比较容易理解

那么射径差代表了什么含义呢

这就回到了我们刚刚遗留的问题

也就是在喇叭口面的相位

呈现怎样的分布特点呢

射径差就代表了喇叭口面的

相位分布的不均匀程度

理想的喇叭天线中

我们希望射径差为0

但这需要喇叭无限长

显然

这是不现实的

因此

在喇叭天线设计中

就需要合理平衡这里的几个尺寸参数

根据不同的辐射方向图需求

进行调整和选择

我们还应该注意到

四个参数并不是相互独立的

天线长度

天线口径

可以决定喇叭张角和射径差

这里我们也以三角函数的形式

给出了四者之间的几何关系

很显然

L和a的确定与天线的性能

存在不可消除的矛盾

首先

刚刚我们提到

为了提高天线口面的相位均匀度

L要尽量长

但又不可能无限长

这是一个矛盾

其次

为了提高天线的定向性

也就是提升天线增益

a要尽量大

但又不可能无限大

这是另外一个矛盾

并且

L和a要有合适的比例

否则

喇叭渐开的角度过大

不连续性过于剧烈

会影响天线的阻抗匹配和高次模的抑制

因此

需要合理处理这里存在的矛盾

那么该如何操作呢

一般情况下

我们可以设定一个可容忍的标准

例如

E面射径差限制在0.25波长以内

H面射径差限制在0.4个波长以内

具体的设计中

假设我们已经确定了最大射径差

并确定了喇叭部分可以接受的长度

那么根据图中给出的几何关系

就可以得到喇叭的张角

进而就可以确定喇叭口面尺寸了

这样

决定角锥喇叭天线的尺寸参数

就全部确定了

此外

很显然的是

喇叭天线是一种典型的口径天线

我们必然要考虑它的口面效率问题

而且口面效率当然不可能是100%

那么口面效率

是如何影响天线辐射性能的呢

通过图中给出的关系式

我们可以看到

口面效率与天线的方向性系数成正比

因此

在喇叭天线的设计和性能优化中

很多工作都是围绕如何提升口面效率开展的

这在我们后面的科研工作中

会经常遇到

到时大家会有更深刻的体会

好了

关于喇叭天线的基本知识就介绍到这里

下次课我们将对一个特殊的喇叭天线案例

进行讲解与讨论

我们下节课再见