結構與分類
喇叭天線是一種套用廣泛的微波天線,其優點是結構簡單、頻頻寬、功率容量大、調整與使用方便。合理的選擇喇叭尺寸,可以取得良好的輻射特性:相當尖銳的主瓣,較小副瓣和較高的增益。因此喇叭天線在軍事和民用上套用都非常廣泛,是一種常見的測試用天線。
喇叭天線的基本形式是把矩形波導和圓波導的開口面逐漸擴展而形成的,由於是波導開口面的逐漸擴大,改善了波導與自由空間的匹配,使得波導中的反射係數小,即波導中傳輸的絕大部分能量由喇叭輻射出去,反射的能量很小。
從原理上來說,波導開口端和喇叭天線是很簡單的天線,但嚴格求解它們的口徑場及外場卻相當困難。 首先, 波導開口端面上與喇叭口面上的場分布與無限長波導內的場分布不同,而且空間傳播的TEM波也不同,是結構較為複雜的波。其次,在口面上除了入射波,還有反射波。再次,在口面上除了主波以外,還有高次波型。此外由於波導和喇叭的開放性結構,波導開口和喇叭開口邊緣處和外壁上都有電流存在,它們也參與輻射。
喇叭天線可以分為四類:
① 圓波導饋電的喇叭一般是圓錐喇叭;
② 矩形波導饋電的喇叭根據擴展的形式不同分為三種喇叭,即E面扇形喇叭(由擴展其窄邊形成);H面扇形喇叭(擴展其寬邊形成);和角錐喇叭(其寬邊、窄邊均擴展而形成);
③ TEM喇叭;
④ 脊波導喇叭等。
原理與特性
喇叭天線的輻射場可利用惠更斯原理由口面場來計算。口面場則由喇叭的口面尺寸與傳播波型所決定。可用幾何繞射理論計算喇叭壁對輻射的影響,從而使計算方向圖與實測值在直到遠旁瓣處都能較好地吻合。它的輻射特性由口面的尺寸與場分布決定,而阻抗由喇叭的頸部(始端不連續處)和口面的反射決定。當喇叭長度一定時,若使喇叭張角逐漸增大,則口面尺寸與二次方相位差也同時加大,但增益並不和口面尺寸同步增加,而有一個其增益為最大值的口面尺寸,具有這樣尺寸的喇叭就叫作最佳喇叭。
圓錐喇叭和角錐喇叭傳播的是球面波,而在一個面(E或H面)張開的扇形喇叭中傳播的則是柱面波。喇叭口面場是具有二次方相位差的場,二次方相位差的大小與喇叭的長度和口面大小有關。
為了擴展喇叭的頻帶,必須減小喇叭頸處與口面處的反射。口面尺寸加大,則反射減小。此外,把波導與喇叭的過渡段儘量做得平滑些,也可以減小該處的反射。由於該位置附近的喇叭尺寸還很小,因此,不能傳播高次模,一般都傳輸單模。為了控制輻射方向圖,有時口面上需要多模場分布,這時應在喇叭內適當位置引入能產生高次模的器件。這種喇叭叫作多模喇叭,可用作單脈衝雷達或高效率天線饋源。由於各模在喇叭內的相速不同,多模喇叭的頻帶比常規喇叭的要窄。
套用
由於喇叭天線結構簡單和方向圖易於控制,通常用作中等方向性天線,如標準喇叭,最常見的是用作反射面的饋源(見天線
饋源)。當它用作獨立天線時,一般都加上校正相位的反射面或透鏡。喇叭-拋物反射面天線具有頻頻寬、副瓣低和效率高等特性,常用於微波中繼通信。而透鏡因其重量較重和結構複雜等原因,已很少用作喇叭的相位校正。
喇叭天線常用於如下幾個方面:1大型射電望遠鏡的饋源,衛星地面站的反射面天線饋源,微波中繼通訊用的反射面天線 饋源; 2相控陣的單元天線;3在天線測量中,喇叭天線常用作對其它高增益天線進行校準和增益測試的通用標準等。