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[科普中国]-矩形喇叭天线

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喇叭天线是由逐渐张开的波导形成,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,以提高辐射的方向性。矩形喇叭天线也就是波导的截面形状为矩形,此时,若保持矩形波导的窄边尺寸不变,逐渐展开宽边就得到H面矩形喇叭,而若保持矩形波导的宽边尺寸不变,逐渐展开窄边就得到E面矩形喇叭。1

结构

矩形喇叭天线一般是由反射面、喇叭天线、辐射计系统、校准系统、辐射计后端构成。

口径场分布

从矩形波导过渡到喇叭,当矩形波导中传输的主模式TE10波时,在喇叭内只存在3个场分量:2个横向分量,1个纵向分量。由于喇叭内臂互相不平行,而是从波导扩展到喇叭,电磁场矢量将改变方向。图2(a)为H面矩形喇叭天线口径场分布和内场结构。场结构在喇叭内和波导内的主要区别是:喇叭内波前已不再是平面波,从矩形波变成柱面波,喇叭口径面上相位则呈平方律分布。

喇叭内传播的波可看成是从喇叭边线的交点O发出的柱面波,其中O为喇叭的顶点,RH为H面喇叭顶点边缘的距离,D1为喇叭口径宽度,2φ0为喇叭张角,如图2(b)所示。波导口面场沿宽边和窄边的相位关系根据文献可得:

由于喇叭的等效长度远大于口面尺寸,即RH>>x。根据幂级数展开关系,可得:

对H面矩形喇叭虽然口面场Ey沿窄边y轴逐渐张开,但其相位却沿宽边x轴方向发生变化,相位具有平方律分布,在喇叭口径边缘具有最大相移量:

对H面矩形喇叭,口面场分布为

由此可见,对于矩形喇叭天线,不论口面场沿哪个方向扩张,其振幅沿窄边均匀分布,沿宽边余弦分布,相位沿扩张边平方律分布。

方向特性

矩形喇叭天线辐射场的表达式为:

方向性系数采用:

计算,得到H面喇叭方向性系数:

式中:

从而天线方向性系数:

下图给出了H面矩形喇叭方向系数与尺寸关系曲线。

最佳喇叭尺寸发生在:

于是,可得喇叭的最佳尺寸为

因此,矩形喇叭的最佳尺寸也就是对应的H面矩形喇叭的最佳尺寸。2