喇叭天线的基本原理

2017-05-19 14:08:13      点击:

  角锥喇叭天线,也称金字塔喇叭天线,内部横截面如天线末端呈矩形。通常与矩形波导一起使用。

 

  扇形喇叭天线,这种形式的喇叭天线,只有一个侧面向外扩张,另一个侧面与原波导所在平面平行。进一步可分为:E平面扇形喇叭天线和H平面扇形喇叭天线

 

  圆锥喇叭天线,圆锥形喇叭天线具有圆形截面,通常与圆波导一起使用,比矩形喇叭天线少。

 

  指数喇叭天线,这种喇叭天线也称为标量喇叭天线,它是具有弯曲侧面的天线。侧面扩张呈指数增长。这种天线可以是锥形或圆形截面。指数角的优点是它具有最低的内部反射,并且在宽频范围内具有几乎恒定的阻抗和其他特性。通常用于高性能的应用,例如卫星通信天线和射电望远镜的馈电喇叭。

 

  波纹喇叭天线,波纹喇叭沿喇叭的内表面具有平行的槽,横向于轴线。这些波纹与波长相比较小。波纹喇叭具有几个优点,包括更宽的带宽和较小的旁瓣。波纹喇叭提供几乎对称的图案,EH平面波束宽度几乎相同。波纹喇叭天线也被广泛用作卫星天线和射电望远镜的馈电喇叭。

 

  喇叭天线的优势:

 

  微波喇叭天线外观相对简单,但仍有一些优点,宽带宽,喇叭天线没有谐振元件,因此能够在宽带宽下工作;结构简单;连接容易,可以直接连接波导,当然通过转接头也可以使用同轴连接。

 

  喇叭天线的应用:

 

  标准增益,喇叭天线是可以使用的非常方便的微波天线形式。由于它具有非常宽的带宽,其性能在很宽的频率范围内变化很小。

 

  抛物面反射天线的馈电喇叭,抛物面反射面需要一个天线来激发抛物面反射面本身。喇叭天线在这种应用中通常被称为馈电喇叭,他需要足够的方向性来均匀的照在反射器上,从而实现较好的性能。

 

  短程雷达系统,例如测速雷达的应用

 

  微波喇叭天线和方程式

 

  与其他天线一样,理论可以更复杂,尽管有几个公式可以用于计算一些关键要素,也解释了操作理论。对于给定的频率和喇叭长度,喇叭张角给出最小反射和最大增益。

 

  喇叭天线理论基础

 

  喇叭天线基本上是波导的一部分,其中开口端被扩张以提供到自由空间区域的转化。波导通常是两种形状之一:矩形或圆形。到目前为止,最广泛使用的是矩形波导口。

 

  波导理论表明,在波导内可以发生几种传播模式。最广泛使用的是TE10模,如下图所示:

 

  TE10模波导的电场

 

  由于波导是矩形的,因此每侧都有不同的尺寸。对于喇叭天线理论和计算,设波导宽度b,高度a,其中b>a。喇叭天线是波导传输线简单发展的产物。使用一些简单的理论就能看到喇叭天线如何工作。直接通过波导开口,让信号辐射,并不是特别有效。因为沿着波导信号到自由空间的突然过渡,其具有约377Ω阻抗。这种突然的截断结果是使信号在波导作为驻波反射回来,原理与同轴或其他传输线的末端匹配不良完全相同。为了克服这个问题,通常将波导设计为锥形。简言之,这样处理就是为了提供波导的阻抗到自由空间的阻抗的逐渐过渡的效果。实际上,它像一个逐渐匹配的变压器。与锥形传输线或光传输的介质类似,这样的结构使其具有一个平滑可变的折射率。此外,喇叭的大口径还将电磁波投射在窄波束中。

 

  喇叭天线的喇叭角

 

 

  喇叭天线的关键特征之一是喇叭天线的喇叭角的角度。它影响着喇叭天线多方面的性能,包括增益,方向性等。如上图θ所示,另外E平面和H平面都有不同的角度,可用θE和θH表示。能够提供最有效匹配的喇叭天线是指数喇叭。然而角锥喇叭和圆锥喇叭相对于大多数应用来说不仅能够提供让人满意的参数,且兼具成本优势,所以被大量采用。

 

  喇叭天线辐射理论

 

  为了说明喇叭天线如何辐射,可以使用一些简单理论加以解释。信号的电磁波沿着喇叭天线朝向孔径传播。当电磁波沿着喇叭口开口行波,电磁波为球形状,它的顶点位于喇叭的顶点——一个被称为喇叭天线相位中心的点。当电磁波从孔径平面的边缘平滑的增加到中心,随着沿着喇叭天线的相位中心传输呈球形。中心点和边缘之间的相位差称为相位误差。也就是说增加喇叭角会减小增益,增加波束宽度。因此,与类似尺寸的平面波天线(如抛物面天线)相比,喇叭天线具有更宽的波束宽度。同时,随着喇叭天线电尺寸的增加,相位误差增加。这使喇叭天线具有更宽的波束宽度的效果。为了提供较窄的波束宽度,需要更长的喇叭,既具有较小的喇叭角。这样的设计会使相位角保持更恒定。然而,相位误差问题意味着喇叭尺寸被限制在大约15个波长。

 

  喇叭天线增益

 

  随着喇叭天线使用的频率的增加,增益和方向性也增加(波束宽度减小)。由于喇叭的孔径在物理尺寸上保持恒定,但是波长数量方面增加,从而具有更高的增益水平。所以可以说,喇叭天线的增益和方向性随频率增加而增加。

 

  喇叭天线理论:喇叭角和增益

 

  喇叭天线上的喇叭角对增益和波束宽度有明显的影响。实际上这里数学证明和理论是比较复杂的这里不具体说明。另一方面增益随频率以及喇叭角度而变化。阻抗的迅速变化发生在喇叭天线的两个部位,喇叭与矩形/圆形波导结合处以及喇叭开口处,通过观察0°和90°喇叭角可以了解喇叭角的运作。