当前课程知识点:现代天线理论与技术 > 第六章 喇叭天线 > 6.1 喇叭天线(上) > 6.1 喇叭天线(上)
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
-课程概论
--课程概论
-1.1 天线发展史
-第一章 习题
--第一章 习题
-2.1 麦克斯韦方程
-第二章 习题
--第二章 习题
-3.1 天线的基本参量(上)
-3.2 天线的基本参量(下)
-第三章 习题
--第三章 习题
-4.1 单螺旋天线
-4.2 双螺旋天线
-4.3 四臂螺旋天线及阵列的设计
-第四章 习题
--第四章 习题
-5.1 振子天线(上)
-5.2 振子天线(下)
-5.3 八木天线设计
-5.4 HFSS介绍与简单应用
-第五章 习题
--第五章 习题
-6.1 喇叭天线(上)
-6.2 喇叭天线(下)
-6.3 FEKO软件的简单介绍
-6.4 SOLIDWORKS的使用方法
-第六章 习题
--第六章 习题
-7.1 微带天线概论
-7.2 微带天线分析方法与设计
-7.3 微带天线设计实例
-7.4 微带天线制作工艺
-7.5 8mm平面微带阵列天线设计实例
-第七章 习题
--第七章 习题