天线10_喇叭天线与反射面天线
天线原理与设计4.3 喇叭天线
喇叭天线由逐渐张开的波导构成。如图所示，逐渐张开的过渡段既可以保证波导与空间的良 好匹配，又可以获得较大的口径尺寸，以加强辐射的方向性。喇叭天线根据口径的形状可分 为矩形喇叭天线和圆形喇叭天线等。图6―3―1中，图(a)保持了矩形波导的窄边尺寸不变， 逐渐展开宽边而得到H面扇形喇叭（H-Plane Sector Horn）；图(b)保持了矩形波导的宽边尺 寸不变，逐渐展开窄边而得到E面扇形喇叭（E Plane Sector Horn）；图(c)为矩形波导的宽 边和窄边同时展开而得到角锥喇叭（Pyramidal Horn）；图(d)为圆波导逐渐展开形成的圆锥 喇叭。由于喇叭天线是反射面天线的常用馈源，它的性能直接影响反射面天线的整体性能， 因此喇叭天线还有很多其它的改进型。
上电流为零（4）尽管口径场与无限长波导内的场分布不同，但假设喇叭天线 口径面场近似为无限长喇叭的场分布。
当工作频率远高于波导的截止频率时，其结果与严格解所得的结果基本上一致。
L
ZL ZL
Z0 Z0
ˆ ˆ 2 ˆ 1 8.105
ˆ 2 ˆ 1
ημ ε
TE 10
1(
)2
10.67 a ,1T0E
2a
在忽略波导连接处及喇叭口径处的反射及假设矩形波导内只传输TE10模式的条 件下，喇叭内场结构可以近似看作与波导的内场结构相同，只是因为喇叭是逐
渐张开的，所以扇形喇叭内传输的为柱面波，尖顶角锥喇叭内传输的近似为球
面波;因此在一级近似的条件下，喇叭口径上场的相位分布为平方律，角锥喇
H面喇叭
E面喇叭
角锥喇叭
圆锥喇叭
6－3 喇叭天线
波导开口端是最简单的口径面天线，由于它的几何面积小，所以方向性不强，方 向系数低，且口面上的反射系数大。为克服这两个缺点，提高定向辐射能力，增 大口径面积并减小反射系数，人们把波导的四壁逐渐向外张开，就构成喇叭天线。
卫星通信天线简介
常用卫星通信天线简介天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。
地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。
反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。
反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。
下文对一些常用的天线作简单介绍。
1．抛物面天线抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。
发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。
由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。
接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。
图1 抛物面天线抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。
缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。
2．卡塞格伦天线卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。
主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。
从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。
由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。
对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。
修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。
目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。
最新2讲Deng喇叭天线和抛物面天线汇总
2讲D e n g喇叭天线和抛物面天线第二讲常见口径面天线一、喇叭天线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1所示的喇叭天线。
它们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1 喇叭天线种类上图表示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。
喇叭天线时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，可以获得良好的辐射特性、相当高的方向系数、相当尖锐的主瓣、比较小的副瓣。
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，也被广泛用作标准增益天线。
2.喇叭天线口面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2(a)、(b)分别表示H面及E面扇形喇叭的几何参数，下面我们来计算口面场上的相位偏移。
图2 H面、E面扇形喇叭几何参数图如图2(a)所示，到口面上M点的波程比到口面中心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：«Skip Record If...»一般«Skip Record If...»，所以«Skip Record If...»，因此有«Skip Record If...»带入上式，，得到«Skip Record If...»的无穷级数展开式为«Skip Record If...»由于«Skip Record If...»，则沿口径面上任意点M的相位偏移近似取第一项为：«Skip Record If...»（1）边缘上A点的相位偏移最大为（«Skip Record If...»）：«Skip Record If...»（2）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。
常用卫星通信天线介绍
常用卫星通信天线介绍（一）寇松江(爱科迪信息通讯技术有限公司，北京，100070)E -mail:天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。
地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。
反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。
反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。
下文对一些常用的天线作简单介绍。
1．抛物面天线抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。
发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。
由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。
接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。
图1 抛物面天线抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。
缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。
2．卡塞格伦天线卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。
主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。
从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。
由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。
对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。
修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。
2讲 Deng 喇叭天线和抛物面天线
第二讲常见口径面天线一、喇叭天线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1所示的喇叭天线。
它们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1 喇叭天线种类上图表示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。
喇叭天线时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，可以获得良好的辐射特性、相当高的方向系数、相当尖锐的主瓣、比较小的副瓣。
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，也被广泛用作标准增益天线。
2. 喇叭天线口面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2(a)、(b)分别表示H 面及E 面扇形喇叭的几何参数，下面我们来计算口面场上的相位偏移。
图2 H 面、E 面扇形喇叭几何参数图如图2(a)所示，到口面上M 点的波程比到口面中心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：122)x k MN MN R ππϕλλ=-=-=-一般11d R ，所以1x R ，因此有2413111128x x R R R R =≈+-+带入上式，，得到x ϕ的无穷级数展开式为24311211()28x x x R R πϕλ=--+ 由于11x R ，则沿口径面上任意点M 的相位偏移近似取第一项为：21x x R πϕλ=- （1） 边缘上A 点的相位偏移最大为（12d x =）： 21max 14x d R πϕλ=- （2） 与喇叭相连的矩形波导内通常传输主模为TE 10模，场的振幅沿宽边为余弦分布。
几种天线的比较
天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。
地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。
反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。
反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。
下文对一些常用的天线作简单介绍。
1．抛物面天线抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。
发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。
由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。
接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。
图1 抛物面天线抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。
缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。
2．卡塞格伦天线卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。
主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。
从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。
由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。
对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。
修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。
目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。
(整理)几种天线的比较.
天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。
地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。
反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。
反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。
下文对一些常用的天线作简单介绍。
1．抛物面天线抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。
发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。
由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。
接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。
图1 抛物面天线抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。
缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。
2．卡塞格伦天线卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。
主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。
从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。
由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。
对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。
修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。
目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。
12.喇叭天线(1)
式中， v1 , v2 由式(10.11)给出。由上式可绘出 GH 参变量为
λ
b
随口径尺寸
DH
RH
λ
，见图 10-4。在
RH
λ
一定的情况下， GH
பைடு நூலகம்
λ
b
λ
随
DH
λ
变化都有一个最大
219
《天线原理与设计》讲稿
王建
值。在各最大值点处，可列出关系表 10-1。
图 10-4 H 面扇形喇叭增益与喇叭尺寸的关系 表 10-1 增益最大值处 RH / λ 和 DH / λ 的关系表 RH/λ 8 10 12 15 20 30 50 GHλ/b 39.62 44.3 48.53 54.24 62.65 76.73 99.1 DH/λ 5 5.6 6.2 6.8 8 9.8 12.6 D R 由此表可归纳出 H 与 H 有如下近似关系：
王建
+e
jβ
[C (u4 ) + C (u3 ) − jS (u4 ) − jS (u3 )]
(10.9)
π RH j2 β D I e = [C (v2 ) + C (v1 ) − jS (v2 ) − jS (v1 )] 同理可得 E β
2 H
π 2 RH
(10.10)
式中， v1 =
IH = IH1 + IH 2 1 = 2
π RH β
RH π 2 jβ 2 ( β DH + sin θ ) e [C ( u2 ) + C ( u1 ) − jS ( u2 ) − jS ( u1 ) ]
217
《天线原理与设计》讲稿
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y ds(xs , ys)
x R
y
M(r , , )
s
S O
r
x
z
当观察点很远时，可近似认为R ‖ r，R可表示为
R r s er r xs sin cos ys sin sin
对于E平面（yOz平面），
2
，R≈r-yssinθ，辐射场为
EE
E
j 1 (1 cos )e jkr 2r
J en Hx
J m en Es
上式中的等效面电流与等效面磁流正是实际天线的 等效场源。
故由所有惠更斯元的辐射之和即得到整个口径面的辐 射场。为方便计算，口径面S2通常取为平面。当由口径 场求解辐射场时，每一个面元的次级辐射可用等效电流
元与等效磁流元来代替，口径场的辐射场就是由所有
等效电流元（等效电基本振子）和等效磁流元（等效
在研究天线的方向性时，通常更关注两个主平面的情 况，所以下面也只讨论面元在两个主平面的辐射
1.E平面（yOz平面）
电基本振子产生的辐射场为
Hx
Ey
120
dEe
j
60
(
H
xdx)dy r
sin
e
jkr
ea
磁基本振子产生的辐射场为
dE m
j
(Eydy)dx
2r
e
e jkr a
y
I
Im
O
dEe dEm
2013.5.1
主要内容
1 等效原理 2 惠更斯元的辐射 3 平面口径的辐射 4 喇叭天线 5 旋转抛物面天线 6 卡塞格伦天线
面天线
深空探测网
天文望远镜
阿雷西博射电望远镜，球面天线直径305米，深508米
2007年7月10日，国家发展和改革委员会原则同意将500米口径球面射电望远镜 （FAST）项目列入国家高技术产业发展项目计划，中国科学院国家天文台FAST项目 正式完成国家立项。项目建设地点为贵州省黔南自治州，建设期5.5年。
HPrSi，nc根ip据le惠)，更包斯围原波理源(H的u闭yg合e面n‘sS1
S2
上的各点都可作为二次波源，它
们共同决定了面外任意一点的场，
这些二次辐射源称为惠更斯元。
以包围源的一个闭合面做为二次辐射源，相当于使闭 合面内的场为零，这种假设使得在界面两侧，场由零跃 变为Hs,Es，即发生了不连续，这种不连续只有在界面 上存在相应的面电流与面磁流时才能发生，由此证明， 界面上的等效面电流密度与等效面磁流密度为
面天线结构与等效原理
面天线的结构与等效原理
如图所示，面天线通常由金属面S1和初级辐射源组成。设 包围天线的封闭曲面由金属面的外表面S1以及金属面的口 径面S2共同组成，由于S1为导体的外表面，其上的场为零，
于是面天线的辐射问题就转化为
初级 辐射源
口径面S2的辐射。
由于口径面上存在着口径场ES和
磁基本振子）所共同产生的。这就是电磁场理论中的 等效原理(Field Equivalence Theorem)。
圆形口径面
矩形口径面
惠更斯元的辐射
惠更斯元的辐射
如同电基本振子和磁基本振子是分析线天线的基本辐 射单元一样，惠更斯元是分析面天线辐射问题的基本 辐射元。
如图所示，设平面
y
口 径 面 （ xOy 面 ）
x
上的一个惠更斯元 ds=dxdyen ， 其 上有着均匀的切向
dx Ey H x o ez
电场Ey和切向磁场 dy
等效
Hx。
ds dxdy
J
m x
r
Jy
)
z
Hx
Ey
120
负号由场矢量与电波 传播方向关系决定
根据等效原理：
1.等效电基本振子
面元上的等效面电流密度为
J en Hx J y
相应的等效电基本振子电流的方向沿y轴方向，其长 度为dy，数值为
j1
2r
Ey cos e jkrdse
dEm dEe
r
z
于是，惠更斯元在H平面上的辐射场为
dEH
j
1
2r
(1
cos
)
E
y
e
jkrdse
Hale Waihona Puke 两主平面的归一化方向函数均为
FE ( )
FH
( )
1 2
(1
cos )
90°
120°
60°
惠更斯辐射元的归一
化方向图如图所示。 150°
30°
由方向图的形状可以
看出，惠更斯元的最 大辐射方向与其本身
180°
0°
垂直。如果平面口径
由这样的面元组成， 而且各面元同相激励，
150°
30°
则此同相口径面的最
大辐射方向势必垂直 于该口径面。
120°
60° 90°
惠更斯元归一化方向图
平面口径的辐射
平面口径的辐射
如图，设有一任意形状的平面口径位于xOy平面内， 口径面积为S，其上的口径场为Ey，因此该平面口径 辐射场的极化与惠更斯元的极化相同。
s Ey ( xs , ys )e jkys sin dxsdys
对于H平面（xOz平面），φ=0，R≈r-xssinθ，辐射场为
EH
E
j
1
2r
(1 cos )e jkr
s Ey (xs , ys )e jkxs sin dxsdys
平面口径辐射的方向系数
只要给定口径面的形状和口径面上的场分布，就可以求 得两个主平面的辐射场，分析其方向性变化规律。
r
z
e e
dE e
j
Ey
2r
cos
e
jkr
dxdye
dE m
j
Ey
2r
e
jkrdxdye
于是，惠更斯元在E平面上的辐射场为
dEE
j
1
2r
(1 cos )Eye jkrdse
x
2.H平面（xOz平面）
电基本振子产生的辐射场为
Im
dEe
j
1
2r
Eye
jkr dse
I
O
磁基本振子产生的辐射场为
dEm
y ds(xs , ys)
x R
y
M(r , , )
s
S O
r
x
z
平面口径坐标系
坐标原点至远区观察点M(r,θ,φ)的距离为r，面元ds(xs,ys) 到观察点的距离为R，将惠更斯元的主平面辐射场积分可得 到平面口径在远区的两个主平面辐射场为
EM
j 1 (1 cos ) 2r
s Ey ( xs , ys )e jkRdxsdys
对于同相平面口径，最大辐射方向一定发生在θ=0处， 根据方向系数的计算公式
D r2 Emax 2 (60Pr )
Emax
E 0
j1
r
e jkr
s Ey (xs , ys )dxsdyseˆ
Emax
1
r
I J ydx H xdx 注意此处dx意义（表示
沿x方向等效面电流密度 的不均匀）
2.等效磁基本振子
面元上的等效面磁流密度为
Jm
en
Ey
J
m x
相应的等效磁基本振子磁流的方向沿x轴方向，其 长度为dx，数值为
I m J xmdy Eydy
惠更斯元的辐射
相互正交放置的等效电基 本振子和等效磁基本振子 的辐射场之和。