天线原理与设计—口径天线和喇叭天线
喇叭天线工作原理
喇叭天线工作原理
嘿！今天咱们来聊聊喇叭天线工作原理呀！
哎呀呀，说起喇叭天线，这可是个神奇的玩意儿呢！那它到底是咋工作的呢？
首先呢，喇叭天线是一种常见的天线类型哇！它的形状就像一个喇叭，所以才叫这个名字呢。
喇叭天线工作的时候，主要是通过电磁波的传播和辐射来实现信号的发送和接收的呀！当电流在天线中流动的时候，哇，就会产生电磁场！这个电磁场可不得了，它会以电磁波的形式向外传播呢。
而且呀，喇叭天线的口径大小对它的性能影响可大了！口径越大，它辐射和接收的电磁波能量就越多，信号也就越强呢！
还有啊，喇叭天线的方向性也很重要哇！它可以把电磁波集中在特定的方向上发射出去，这样就能更有效地传输信号啦！比如说，在通信领域，它就能准确地把信号发送到目标方向，减少干扰和能量浪费呀！
哎呀呀，想想看，如果没有喇叭天线，我们的通信会变得多么糟糕呢！在广播电视、卫星通信、雷达等领域，喇叭天线都发挥着巨大的作用哇！
所以说呀，了解喇叭天线的工作原理，对于我们掌握现代通信技术，那可真是太重要啦！它就像是通信世界里的一个神奇的小助手，默默地为我们传递着各种重要的信息呢！
怎么样，这下您对喇叭天线工作原理是不是有了更清楚的认识啦？。
天线原理与设计—第六章口径天线和喇叭天线
天线原理与设计—第六章口径天线和喇叭天线口径天线是一种特殊的天线，其工作原理是通过改变天线口径的大小以实现方向性辐射。
喇叭天线则是一种具有喇叭形状的天线，其主要功能是对电磁波进行聚焦或分散，从而实现天线的增益和波束的调控。
本章将介绍这两种天线的基本原理和设计方法。
6.1口径天线6.1.1口径天线的基本原理口径天线的基本原理是利用天线口径的大小来控制电磁波的发射和接收方向。
根据狄拉克定理，天线辐射的功率密度与天线口径的平方成正比。
因此，通过改变天线口径的大小，可以调整天线的辐射功率和波束的方向性。
一般情况下，口径天线的口径越大，辐射功率越大，波束的方向性越好。
6.1.2口径天线的设计方法口径天线的设计方法主要包括天线口径的确定和辐射模式的设计。
天线口径的确定需要考虑到工作频率、辐射功率和波束方向等参数。
一般情况下，口径天线的口径选取为波长的几倍，以保证天线的辐射效果和方向性。
辐射模式的设计则需要根据具体的应用要求，确定天线的辐射方式和波束的形状。
6.2喇叭天线6.2.1喇叭天线的基本原理喇叭天线是一种特殊形状的天线，其主要功能是将电磁波进行聚焦或分散，从而实现天线的增益和波束的调控。
喇叭天线的基本原理是利用喇叭形状的反射面将电磁波进行反射和聚集。
喇叭天线可以分为抛物面喇叭天线和双曲面喇叭天线。
抛物面喇叭天线主要用于聚焦电磁波，而双曲面喇叭天线主要用于分散电磁波。
6.2.2喇叭天线的设计方法喇叭天线的设计方法主要包括反射面的确定和波束的调控。
反射面的确定需要考虑到工作频率、波束宽度和聚焦距离等参数。
一般情况下，抛物面喇叭天线的反射面采用抛物线形状，双曲面喇叭天线的反射面采用双曲线形状。
波束的调控则需要通过反射面的形状和尺寸来实现，一般情况下，反射面的大小越大，波束的调控能力越好。
综上所述，口径天线和喇叭天线是一种特殊的天线，其工作原理是通过改变天线口径的大小和喇叭形状来实现方向性辐射和波束的调控。
口径天线通过改变天线口径的大小来控制电磁波的发射和接收方向，而喇叭天线则通过喇叭形状的反射面将电磁波进行聚焦或分散。
喇叭天线
y=b/2,xz 面 z=0,xy 面
x=a/2,yz 面
H sin x sin t z ； H － H 0 sin x sin t z xt 0 2 2 h a h a a a H zt H 0 cos x cos t z a
H y x, y, z
n m
j m n m Emn cos x sin ye γz (10 94d ) 2 h a b a
j m n γz m H mn sin x cos ye 10 104b 2 h a b a n m m n γz m H x x, y, z 2 H mn sin x cos ye 10 104c a b a n m h n n γz m H y x, y, z 2 H mn cos x sin ye 10 104d b b a n m h E y x, y, z
E z x, y , z 0 n γz m H z x, y, z H mn cos x cos ye (10 103) a b n m j n n γz m Ex x, y, z 2 H mn cos x sin ye 10 104a h b b a n m
a=2b矩形波导中λc分布图
当λ>2a时，全部的模式被截止；当2a > λ>a时，只有TE10波存在，其它模 式被截止；当λ< a 时，才有其它模式存在，则当工作波长 a< λ<2a的条件 下。实现单模传输，而且单模传输的唯一模式就是TE10,模（矩形波导工作在 TE10单模传输情况下 ）。通常为了实现TE10模的单模传输选
14-喇叭天线 天线原理
2
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
GD
4 S
v
余弦分布的矩形口面
设口面场的振幅沿x轴按余弦分布，而y轴仍是均
均匀分布的矩形口面
假设口径面上场的振幅和相位处处相同。
South China University of Technology
1 cos sin 2 2 2 1 cos sin 1 EH AS 2 1 EE AS
e j rh China University of Technology
dE j
e
E y dydx e jkr 2 r
磁流元的辐射场为
dE j
m
E y dxdy 2
e jkr cos r
于是，面元在H平面的辐射场为
e jkr dE j (1 cos )dxdy 2 r Ey
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
电流元与磁流元方向图的合成原理
South China University of Technology
E面
H面
Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering
口径天线口径天线
第8章 口径天线
第8章 口径天线
第8章 口径天线
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
第8章 口径天线 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
第8章 口径天线
图 8.6 标准增益矩形喇叭的方向性和口径效率
第8章 口径天线
5. 波纹喇叭天线 波纹喇叭天线是为了进一步改善天线特性而提出的。以 图 8.7 所示的普通的圆锥喇叭天线为例，由于其在终端开口 处同外空间不连续，喇叭内 E 面的传导电流绕过喇叭口径 流到喇叭外壁上，因而导致较大的副瓣，使方向图很粗糙。 但是 H 面因为边缘场强较小，传导电流是横向的，不会沿 纵向绕到喇叭外壁上，因此 H 面边缘的绕射现象不严重， 如图8. 8 所示。
第8章 口径天线 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
第8章 口径天线 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
第8章 口径天线 顶角处最大相位偏移点的相位偏移为
第8章 口径天线
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。
12.喇叭天线(2)
图 10-24 加速透镜剖面
与介质透镜的分析方法一样，目的是要确定 p AB 曲线的方程，结果为：
(1 − n 2 ) x 2 + 2(1 − n) fx + y 2 = 0
(椭圆方程)
(10.60)
在上面的讨论中， 介绍了三种透镜形式， 即介质透镜， 空气透镜和金属透镜。 虽然使用它们可使喇叭的口径场相位得到校正， 但是使用它们后喇叭口径场幅度 分布将受到影响， 还将产生反射。 幅度分布变化， 也将引起辐射方向图发生变化。 这个问题，感兴趣的同学可参阅相关文献。
r 2 = ( x + f )2 + y 2 r = f + nx
→
r=
(n − 1) f n cos ϕ − 1
(10.55)
⇒
(n 2 − 1) x 2 + 2(n − 1) fx − y 2 = 0
(10.56)
q 为双曲线形式。如上推导没用到折射定律， 上式说明，透镜剖面曲线 AOB 可以证明，该曲线满足折射定律。 在透镜边缘 A 和 B 两点处满足如下关系
3．金属透镜（加速透镜）
由一些平行金属片构成，见前面图 10-19(b)(d)及下面图 10-24。相邻的两片 构成波导，其性质与矩形波导类似，当电场矢量通过金属片构成小波导时(即这 些波导中为 TE10 模)，可得相速νp 和折射率 n 如下
vp = c 1 − ( λ 2d )
2
， n=
c 2 = 1 − ( λ 2d ) < 1 vp
e− jβ r r
(10.61)
ˆ 为单位矢量， E (θ , ϕ ) ——远场幅度方向图函数 式中， u
如果取圆锥喇叭口径上的最大相位差为
喇叭天线喇叭天线
一、课题背景电磁喇叭天线是最简单而常用的微波天线。
它的主要优点是结构简单，馈电简便，便于控制主面波束宽度和增益，频率特性好且损耗较小。
它由波导逐渐张开来形成，其作用是加强方向性，这与声学喇叭的原理相似。
若主模TE10的矩形波导的宽边尺寸扩展而窄边尺寸不变则称为H 面扇形喇叭；若窄边尺寸扩展而宽边尺寸不变，则称为E 面扇形喇叭；若矩形波导的两边尺寸都扩展，则称为角锥喇叭。
圆锥喇叭由载TE11模的圆形波导扩展而成。
可见喇叭天线起着将波导模转换为空间波的过渡作用，因而反射小，使其输入驻波比低且频带宽。
喇叭天线广泛用做各种反射面天线和透镜天线得到馈源，也用作微波中继站的独立天线和测试天线增益的标准天线。
(1)E 面扇形喇叭 (2)H 面扇形喇叭 (3)角锥喇叭 (4)圆锥喇叭图1 几种常见的喇叭天线喇叭天线就其结构来讲可以看成两大部分构成：一是波导部分，横截面有矩形，也有圆形；二是真正的喇叭天线部分。
波导部分相当于天线中的馈线，是提供喇叭天线信号和能量的部分。
喇叭天线可视为张开的波导。
喇叭的功能是在比波导更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性能。
矩形波导中的TE10模传输到波导和喇叭的口面时，口面上的波可以作为次级源再次辐射。
普通喇叭天线结构原理图如图2所示。
图2 喇叭天线结构辐射图T次 级源次级源二、喇叭天线尺寸计算2.1、公式推算本设计需要设计一个K 波段（18GHz-26.5GHz ），用WR-42矩形波导来馈电，最大增益大于15dB 的喇叭天线。
喇叭天线波导部分可百度查阅K 波段标准矩形波导尺寸得到，矩形波导的长度可选为 1.2*λ。
典型的角锥喇叭的尺寸如下图所示。
(1)几何结构(2)X-Y 面横截面(H 面)(3)Y-Z 面横截面(E 面)图3 角锥喇叭几何关系由[1]知H R 一定，有一最佳的喇叭口径宽度h a ，并发现其近似规律为H h R a λ3=(1)同理，E R 一定，有一最佳的喇叭口径宽度h b ，并发现其近似规律为H h R λ2b =(2)由图3(b)(c)根据相似三角形原理得：h H a aR R -=1(3) hE b bR R -=1(4) 224223432383ah a hhe G a e b G aa a πλπλ=+-(5) 直接求此4次方程的根相当复杂，但可以用数值计算的软件求解也可以用试凑法求解第一种近似解为G a h λ45.0=(6)喇叭天线的欧姆损失很小，因此其方向系数就是增益即a h h e b a G 24λπ=(7)设计步骤如下：1、用试凑法解出式(5)中的h a ，取51.0=a e 。
天线原理与设计4.3 喇叭天线
H面喇叭
E面喇叭
角锥喇叭
图6―3―1 普通喇叭天线
圆锥喇叭
6－3 喇叭天线
（1）喇叭天线结构
（2）口径场分布
（3）远区场 由6-2-3 and6-2-4 积分得到E面和H面的辐射场
（4）口径天线电参数
角锥喇叭天线结构尺寸与坐标 LH
y
LE
x
a
OH
OE
b
bh z
ah
a、b为波导的宽边和窄边尺寸;ah、bh为相应的口径尺寸。OE、OH分别为E面、H面 的顶点； LE、LH分别为E面和H面长度; LE≠LH时，为楔形角锥喇叭；当LE=LH时， 为尖顶角锥喇叭；当ah=a或LH=∞时，为E面喇叭；当bh=b或LE=∞时，为H面喇叭。 喇叭天线可以作为口径天线来处理。喇叭天线的口径场可近似地由矩形波导至喇叭 结构波导的相应截面的导波场来决定。
叭口径场为：
x
x2 LH
,当x
a2h x时出现xL2最大4相axm2位x2偏移 2，ax2xmxm
平方率的相位分布 ah2 4 LH
y
y2 LE
,当x
bh 2
时出现最大相位偏移，ym
bh2 4 LE
x
y
xs2 LH
ys2 LE
, 最大相位偏移 m
4
ah 2 LH
bh 2 LE
(6 3 2)
Es
Ey
E0
cos xs
ah
e ，H
j
xs2 LH
ys2 LE
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E
j
E0e jkr
4r
sin(1 cos )I1I2
E
j
E0e jkr
7.1 口径天线
7.1.2空间场的惠更斯元解法 ➢ 可以得到H面(yoz)内的电场为：
dEe
j 60 Ixdxdysin90 e jkr r
j
60 e jkr r
H ydxdy
j
e jkr
2r
Exdxdy
dEm
j
Imydxdysin(90- ) e jkr 2r
j
e jkr
2r
cos Exdxdy
➢ 惠更斯原理：主波前上的每一点可以看成是一个新球面
波的源点，这些新球面波的包络构成新的波前
7.1 口径天线
7.1.1 口径天线工作原理 ➢ 等效原理： 1936年由S. A. Schelkunoff提出，直接建立在
唯一性定理的基础上，是惠更斯原理的更精确表达
S Jsa = nHa
Jsma = -nEa Js
Im nˆ xˆEx zˆ xˆEx yˆEx
应用电流元的远场表达式：
dE
j
60 Idzsin r
e jkr
以及磁流元的远场表达式：
dH
j
Idzsin 2r
e jkr
dH
j 60 Imdzsin r
e jkr
dE
j
Imdzsin 2r
e jkr
7.1 口径天线
空间场的惠更斯元解法
➢ 可以得到E面(xoz)内的电场为：
E面
H面
➢ 旁瓣电平为 - 13.2 dB，口径效率为100%
口径效率计算公式如下，其中εa为口径效率
D=Dmax a
4 2
a
7.1 口径天线
➢ 矩形同相口径
余弦场分布
Ea
yˆE0cos(
a
x),
|x| a / 2, |y| b / 2, z 0
0, 其它
辐射场方向性系数为：
D
8
3
4 2
上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性
➢ 喇叭起着将波导模转换为空间波的过渡作用，因而天线输
入驻波比低且频带宽
7.2 喇叭天线
➢ 不同种类的角锥喇叭天线
7.2 喇叭天线
➢ 不同种类的圆锥和双锥喇叭天线
7.2 喇叭天线
➢角锥喇叭
由矩形波导馈电，主模为TE10模。喇叭口面上的场分布为：
Ey (x,
2 r
k0b / 2sin
H面
E(x,y,z) jkabE0e jkr cos sin(k0a / 2sin ) ˆ
2 r
k0a / 2sin
7.1 口径天线
➢ 矩形同相口径
下图为根据上式得到的尺寸a = 3，b = 2的口径天线 的辐射方向图
7.1 口径天线
➢ 方向性函数 F(sinθ) = 0.707,可求得半功率波瓣宽度
a/Βιβλιοθήκη 2,|y|b
/
2,
z
0
y x
E0
b
a
z
7.1 口径天线
➢ 矩形同相口径
远区辐射场
E(x,y,z) jkabE0e jkr sin u sin v [ˆsin ˆcos cos] 2 r u v
通常仅考虑E面( =90)和H面( =0)内的方向图，可由
下面的方程画出：
E面
E(x,y,z) jkabE0e jkr sin(k0b / 2sin ) ˆ
H面总电场为：
dE
dEe
dEm
j
e jkr
2r
Exdxdy(1 cos )
7.1 口径天线
7.1.2 空间场的惠更斯元解法
➢ 空间任意点的电场为：
dE ˆdE ˆdE
ˆ
j
e jkr
2r
Exdxdycos(1 cos ) ˆ
j
e jkr
2r
Exdxdysin(1 cos )
je jkr
2r
(1 cos )Exdxdy(ˆcos ˆsin)
七、口径天线和喇叭天线
7.1 口径天线
➢ 此类天线的辐射来自于天线口径上的电磁场，也称为
口面天线或孔径天线
➢ 包括喇叭天线、抛物面天线等
7.1 口径天线
7.1.1 口径天线工作原理 ➢ 此类天线的工作原理可以用惠更斯原理与等效原理来解
释（ Huygens’s Principle and Equivalence Principle ）
7.1 口径天线
7.1.2 空间场的惠更斯元解法
惠更斯元的方向图函数为(1+cosθ)，其方向图如下：
空间总场可由惠更斯元 的场积分得到。惠更斯 实际上考虑的是自由空 间中的一个面上的场分 布所产生的远区场，不 考虑是否存在导体。
7.1 口径天线
➢ 矩形同相口径
均匀场分布
Ea
E0 yˆ, |x| 0, 其它
dE e
j
60 e jkr r
Ixdxdysin(90- )
j
60 e jkr r
H ydxdycos
j
e jkr
2r
Exdxdycos
dE m
j e jkr
2r
Imydxdysin90
j e jkr
2r
Exdxdy
E面总电场为：
dE
dE e
dEm
j
e jkr
2r
Exdxdy(1 cos )
y)
E0cos(
a1
x)e
jk (x, y)
H x (x,
y)
E0
cos(
a1
x)e jk (x, y)
波程差引起的相位差为： (x, y) 1 x2 1 y2 2 2 2 1
7.2 喇叭天线
➢为获得尽可能均匀的口径分布，要求非常长的小张角喇叭。
但为了实用方便，又需要喇叭尽量短。于是，介于两种极端 间的最优喇叭，应在给定长度下具有最小的波束宽度，同时 旁瓣不能过大（或具有最大可能增益）。
7.1 口径天线
7.1.2 空间场的惠更斯元解法 ➢ 在惠更斯元dxdy上场等幅同相，电场Ex和磁场Hy正交，
且Ex / Hy = 120π。则等效电流和磁流为
x
R
r’
r
z dy y dx
7.1 口径天线
7.1.2 空间场的惠更斯元解法
➢ 等效电流和磁流源
I nˆ yˆH y zˆ yˆH y xˆH y
ab 0.81 4 2
ab 0.81 4 2
Ap
4 2
Aem
因此，口径效率为81%
7.1 口径天线
➢ 不同场分布的矩形口径天线的特性参数
7.1 口径天线
➢ 不同场分布的矩形口径天线的特性参数
➢ 圆形同相口径
7.1 口径天线
➢ 圆形同相口径
7.1 口径天线
7.2 喇叭天线
➢ 喇叭天线是最简单而常用的微波天线 ➢ 可以视为张开的波导，喇叭的功能是在比波导更大的口径
➢若δ相对于波长足够小，整个口面上的相位近似均匀。当
喇叭长度L给定时，其方向性随着口径和张角的增加而提高 （波瓣宽度变窄）。但当口径和张角过大时，喇叭口面边缘 处的场和中心部分的场相位相反，反而会降低定向性（增大 旁瓣）。
7.2 喇叭天线
➢角锥喇叭天线的方向图
经过复杂的推导得到角锥喇叭天线的辐射场为：