天线原理与设计—第六章口径天线和喇叭天线.ppt

七七、口径天线和喇叭天线、口径天线和喇叭天线7.1 7.1 口径天线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 7.1 口径天线口径天线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（Huygenss Principle and Equivalence Principle）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7.1.1 7.1.1 口径天线工作原理口径天线工作原理7.1 7.1 口径天线口径天线等效原理：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7.1.1 7.1.1 口径天线工作原理口径天线工作原理7.1 7.1 口径天线口径天线在惠更斯元dxdy上场等幅同相，电场Ex和磁场Hy正交，且Ex/Hy=120。则等效电流和磁流为7.1.2 7.1.2 空间场的惠更斯元解法空间场的惠更斯元解法7.1 7.1 口径天线口径天线7.1.2 7.1.2 空间场的惠更斯元解法空间场的惠更斯元解法应用电流元的远场表达式：以及磁流元的远场表达式：等效电流和磁流源7.1 7.1 口径天线口径天线可以得到E面(xoz)内的电场为：空间场的惠更斯元解法空间场的惠更斯元解法E面总电场为：7.1 7.1 口径天线口径天线可以得到H面yoz)内的电场为：7.1.27.1.2空间场的惠更斯元解法空间场的惠更斯元解法H面总电场为：7.1 7.1 口径天线口径天线空间任意点的电场为：7.1.2 7.1.2 空间场的惠更斯元解法空间场的惠更斯元解法7.1 7.1 口径天线口径天线7.1.2 7.1.2 空间场的惠更斯元解法空间场的惠更斯元解法惠更斯元的方向图函数为(1+cos)，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 7.1 口径天线口径天线 矩形同相口径矩形同相口径均匀场分布7.1 7.1 口径天线口径天线 矩形同相口径矩形同相口径远区辐射场通常仅考虑E面(=90)和H面(=0)内的方向图，可由下面的方程画出：E面H面7.1 7.1 口径天线口径天线 矩形同相口径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 7.1 口径天线口径天线 方向性函数 F(sin)=0.707,可求得半功率波瓣宽度 旁瓣电平为-13.2 dB，口径效率为100%E面H面口径效率计算公式如下，其中a为口径效率7.1 7.1 口径天线口径天线 矩形同相口径矩形同相口径余弦场分布辐射场方向性系数为：因此，口径效率为81%7.1 7.1 口径天线口径天线 不同场分布的矩形口径天线的特性参数不同场分布的矩形口径天线的特性参数7.1 7.1 口径天线口径天线 不同场分布的矩形口径天线的特性参数不同场分布的矩形口径天线的特性参数7.1 7.1 口径天线口径天线 圆形同相口径圆形同相口径7.1 7.1 口径天线口径天线 圆形同相口径圆形同相口径7.2 7.2 喇叭天线喇叭天线 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 7.2 喇叭天线喇叭天线 不同种类的角锥喇叭天线7.2 7.2 喇叭天线喇叭天线 不同种类的圆锥和双锥喇叭天线7.2 7.2 喇叭天线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：波程差引起的相位差为：7.2 7.2 喇叭天线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）。若相对于波长足够小，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 7.2 喇叭天线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：其中：7.2 7.2 喇叭天线喇叭天线角锥喇叭天线的方向图下图为1=2=6,a1=5.5,b1=2.75,a=0.5,b.=0.25的角锥喇叭的辐射方向图7.2 7.2 喇叭天线喇叭天线角锥喇叭天线的方向性系数其中LE和LH分别为E-面和H-面的相位差引起的损耗，其变化如下图所示。7.2 7.2 喇叭天线喇叭天线角锥喇叭天线的方向性系数7.2 7.2 喇叭天线喇叭天线角锥喇叭天线的增益随频率的变化规律