HFSS天线设计高级培训教程第十章喇叭天线

HFSS天线设计高级培训教程第十章喇叭天线 喇叭天线是使用最广泛的一类微波天线，它常用于如下几个方面：○1 大型射 电望远镜的馈源，卫星地面站的反射面天线馈源，微波中继通讯用的反射面天线 馈源；○2 相控阵的单元天线；○3 在天线测量中，喇叭天线常用作对其它高增益天 线进行校准和增益测试的通用标准等。 这一章将介绍分析喇叭天线的基本理论，衡量喇叭天线性能的一些电气指标 及喇叭天线的设计等内容。 喇叭天线的基本形式是把矩形波导和圆波导的开口面逐渐扩展而形成的，见 P225 图 10-6，由于是波导开口面的逐渐扩大，改善了波导与自由空间的匹配， 使得波导中的反射系数小，即波导中传输的绝大部分能量由喇叭辐射出去，反射 的能量很小。 ■喇叭分类： ○1 圆波导馈电的喇叭一般是圆锥喇叭； ○2 矩形波导馈电的喇叭根据扩展的形式不同分为三种喇叭，即 E 面扇形喇 叭（由扩展其窄边形成）；H 面扇形喇叭（扩展其宽边形成）；和角锥喇叭（其宽 边、窄边均扩展而形成）。 ■喇叭天线的分析方法 （1）解内问题，求口径面上的电磁场分布 喇叭的渐变扩展部分也可看作是波导，与分析波导中场分布时把波导看作无 限长波导一样，首先也是把喇叭看作是一无限长渐变波导，由麦氏方程出发，求 边值问题。用分离变量法求解喇叭渐变波导中的电磁场表示，然后对实际的有限 长喇叭，其口径面上的电磁场看作是无限长喇叭在同一截面上的电磁场。 这样的近似，忽略了喇叭口径面所产生的反射波及高次模，这将带来一定的 误差。但是，喇叭口的反射系数不大，而高次模又相对较弱，在工程上，这点误 差可忽略。 （2）解外问题 由求得的喇叭口径面上的场分布，求远场。 10.1 H 面扇形喇叭（H－Plane Sectoral Horn） 它是按一定张角2ϕ0扩展矩形波导的宽边而构成，窄边不变。喇叭口径尺寸 DH×b，虚顶点O′到口径中心O的距离为 RH=DH/(2tgϕ0 )。如图 10-1 所示。 1．解内问题，求喇叭口径面上的场分布 其方法是把喇叭一段看作是径向波导，从麦氏方程出发，解边值问题求径向 波导中的电磁场。当矩形波导中传输的主模是 TE10 波时，且 或 ，H 面扇形喇叭口径场分布可表示为： 式中，E 分量场若不看相位分布项，则类似于矩形波导口的分布。由于 H 面喇 叭中传输的波为柱面波，则在喇叭口径平面上相位呈平方律分布。 y 不考虑反射波影响，矩形波导口的电磁场之比为 P231图10-10给出了H面扇形喇叭的H面方向图，当张角较小时( 2 )， 理论结果与测量结果吻合较好，但张角较大时，则理论与实测结果有一定的差距。 原因主要有两点，一是理论分析未考虑喇叭口径高次模，二是没考虑喇叭外表面 的电流。 ϕ0 ≤ 4 D 这里区取 RH = 6λ ，DH = 5.5λ ，b = 0.25λ ，喇叭张角2 时，绘出了 H 面扇形喇叭的三维幅度方向图和 E 面、H 面归一化分贝表示的方 向图，如图 10-3 所示。 比较图 10-2 和图 10-6，可以看出，E 面扇形喇叭的 E 面方向图与口径面最 大相位差 的关系，其变化要大的多。这是因为 E 面扇形喇叭口径场相位按平 方律变化的方向，振幅是均匀的。而 H 面扇形喇叭相位变化的方向，振幅是按 余弦分布的，口径边缘相位差最大，但振幅为零。 取不同的 E 面喇叭尺寸，计算的 E 面和 H 面方向图如图 10-7 所示。 角锥喇叭是对馈电的矩形波导在宽边和窄边均按一定张角张开而形成的，如 图 10-10 所示。矩形波导尺寸为 a×b，喇叭口径尺寸为 DH × DE ，其 E 面(yz 面) 内虚顶点到口径中点的距离为 RE ，H 面(xz 面)内虚顶点到口径中点的距离为 RH 。 图 10-10 角锥喇叭 1. 口径场 角锥喇叭内的电磁场，目前还未有严格的解析解结果，原因在于，角锥喇叭 在 x 和 y 两个方向随喇叭的长度方向均是渐变而逐渐扩展的，因而要在一个正交 坐标系下求得角锥喇叭内的场的严格解析解是困难的。通常近似地认为，矩形角 锥喇叭中的电磁场具有球面波特性，而且假设角锥喇叭口径面上的相位分布沿 x 和 y 两个方向均为平方律变化。 如果是尖顶角锥喇叭，则 RH ＝ RE ，可用作标准增益喇叭。若是楔形喇叭，则 RH ≠ RE 。由此口径面场分布计算的远场与实测的结果吻合的很好，说明了假设 的口径场分析模型的正确性。 2. 辐射场 由角锥喇叭的口径场分布，仿照前面求 E 面和 H 面扇形喇叭远区辐射场的 步骤，就可以求出角锥喇叭的远区辐射场表达式。由于计算过程较繁，这里直接 给出结果。 在角锥喇叭的 DE、RE、DH、RH与扇形喇叭的相同时，可以证明 ■角锥喇叭在 E 面的方向图与 E 面扇形喇叭的 E 面方向图相同； ■角锥喇叭在 H 面内的方向图与 H 面扇形喇叭在 H 面内的方向图相同。 因此，角锥喇叭的 H 面方向图可由式(10.2)决定；E 面方向图可由式(10.25) 确定(取γ / β = 1)。绘出的幅度三维图及 E 面和 H 面方向图如图 10-11 所示