喇叭天線

<image>

<image>

喇叭天線或微波喇叭是一種由形狀像喇叭的喇叭狀金屬波導組成的天線，用於引導波束中的無線電波。喇叭廣泛用作頻率高於300兆赫的超高頻電磁波和微波的天線。它們可用作較大天線結構（如拋物面天線）的饋電天線（稱為饋電喇叭），也可用作測量其他天線增益的標準校準天線，以及用作雷達槍、自動門開啟器和微波輻射計等設備的定向天線。其優點是指向性適中、寬頻帶、損耗低、施工和調整簡單。

孟加拉裔印度無線電研究員賈加迪什·錢德拉·鮑斯於1897年在他開創性的微波實驗中建造了最早的喇叭天線之一。現代喇叭天線則是由Wilmer Barrow和GC Southworth於1938年各自獨立發明的。第二次世界大戰中雷達的發展刺激了喇叭天線的研究，旨在設計雷達天線的饋源喇叭。凱伊於1962年發明了波紋喇叭。它已廣泛用作衛星天線和射電望遠鏡等微波天線的饋源喇叭。

喇叭天線的優點在於，由於它們沒有諧振元件，因此它們可以在很寬的頻率範圍和很寬的帶寬內工作。喇叭天線的可用帶寬通常為10:1，最高可達20:1（例如，允許它在1GHz至20GHz）。輸入阻抗在這個很寬的頻率範圍內緩慢變化，從而允許在帶寬內實現較低的電壓駐波比(VSWR)。喇叭天線的增益範圍高達25dBi，典型值在10–20dBi之間。

## 描述

<image>

喇叭天線用於將無線電波從波導（用於承載無線電波的金屬管）發射到空間中，或將無線電波收集到波導中進行接收。它通常由一小段矩形或圓柱形金屬管（波導）組成，一端封閉，另一端向外展開，形成一個開口的圓錐形或金字塔形喇叭。無線電波通常通過附在側面的同軸電纜引入波導，中心導體伸入波導，形成四分之一波長單極天線。然後，波以窄波束的形式從喇叭端輻射出去。在某些設備中，無線電波通過波導在發射器或接收器和天線之間傳導；在這種情況下，喇叭連接到波導的末端。在室外喇叭中，例如衛星天線的饋源喇叭，喇叭的開口通常由對無線電波透明的塑料片覆蓋，以防潮。

## 工作原理

<image>

喇叭天線對於電磁波所起的作用與喇叭等樂器中聲學喇叭對於聲波所起的作用相同。它提供了一種漸進的過渡結構，使管道的阻抗與自由空間的阻抗相匹配，從而使管道中發出的波能夠有效地輻射到空間中。

如果使用簡單的開放式波導作為天線，不帶喇叭，導電壁的突然終止會導致孔徑處的阻抗發生突變，從波導中的波阻抗變為自由空間阻抗（約377Ω）。當無線電波通過波導到達開口時，阻抗突變會將很大一部分波的能量沿著波導反射回波源，因此並非所有的功率都會被輻射。這類似於在開口傳輸線或低折射率和高折射率光學介質之間的邊界（如玻璃表面）的反射。反射波會在波導中引起駐波，從而增加駐波比 （SWR），浪費能量，並可能使發射器過熱。此外，波導的小孔徑（小於一個波長）導致從中發出的波發生嚴重的衍射，從而產生較寬的輻射模式而沒有顯著的方向性。

為了改善這些不良特性，波導的末端向外展開以形成喇叭。喇叭天線的錐削結構使其阻抗沿軸向長度逐漸變化。它的作用類似於阻抗匹配變換器，使大部分波能量從喇叭末端輻射到空間中，同時儘量減少反射。錐削結構的工作原理類似於錐形傳輸線，或折射率平滑變化的光學介質。此外，寬孔徑喇叭可發射窄波束的波。

反射功率最小的喇叭形狀是指數錐形。指數喇叭用於需要最小信號損失的特殊應用，例如衛星天線和射電望遠鏡。然而，圓錐形和金字塔形喇叭的應用最為廣泛，因為它們的邊緣是直的，更容易設計和製造。

## 輻射模式

波以球形波前的形式沿喇叭傳播，其波源在喇叭的頂點，該點稱為相位中心。喇叭口孔徑平面的電場和磁場模式決定了輻射模式，它是波導中場的放大再現。由于波前是球形的，中心點和邊緣點到頂點的距離不同，相位從孔徑平面的邊緣到中心平滑地遞增。中心點和邊緣之間的相位差稱為相位誤差。該相位誤差會隨著喇叭角的增大而增大，從而降低增益並增加波束寬度，使喇叭天線的波束寬度比類似尺寸的平面波天線（如拋物面天線）更寬。

在張角處，波束瓣的輻射下降約20dB。

隨著喇叭尺寸（以波長表示）的增加，相位誤差也會增加，從而使喇叭的輻射模式更寬。保持波束寬度較窄需要更長的喇叭（更小的喇叭角）來保持相位誤差恆定。不斷增加的相位誤差將實用喇叭的口徑尺寸限制在 15 個波長左右；更大的口徑將需要不切實際的長喇叭。這將實際喇叭的增益限制在1000（30dBi）左右，相應的最小波束寬度限制在5-10°左右。

## 類型

<image>

<image>

以下是喇叭天線的主要類型。喇叭可以在電場和磁場方向上具有不同的喇叭角以及不同的擴展曲線（橢圓形、雙曲線等），從而可以實現各種不同的波束輪廓。

角錐喇叭（圖a）——擁有矩形截面的四稜角錐形喇叭天線。是常見的類型，與矩形波導搭配使用，輻射線極化波。

扇形喇叭——只有一對側面張開，另一對側面平行的角錐形喇叭。產生扇形波束，在展開面的波束較窄，在非展開面的波束較寬。這種喇叭常用作寬搜索雷達的天線。

E面喇叭（圖b）——在波導電場面上展開的扇形喇叭。

H面喇叭（圖c）——在波導磁場面上展開的扇形喇叭。

圓錐形喇叭（圖d）——橫截面為圓形的圓錐形喇叭。與圓柱形波導搭配使用。

指數喇叭（圖e）——擁有曲邊的喇叭，其張口半徑隨長度指數增加。也稱為標量喇叭，既可以是方口的也可以是圓口的。在相當寬的頻帶範圍內，指數喇叭可以使內部反射儘量小，阻抗變化極緩，還有其他優良性質。它們用於需要高性能的應用場合，例如通信衛星的饋源天線，以及射電望遠鏡。

波紋喇叭——刻有平行溝槽或狹縫的喇叭，這些狹縫尺度比波長小，覆蓋喇叭的內壁，垂直於軸。波紋喇叭擁有更寬的頻帶，更小的旁瓣，還可實現交叉極化，廣泛用作衛星碟形天線和射電望遠鏡的饋源天線。

雙模圓錐喇叭—— （Potter喇叭）這種喇叭可以在亞毫米波波段替代波紋喇叭。在此波段波紋喇叭有損且難以製造。

對角線喇叭——表面上這種簡單雙模喇叭與帶有方形孔徑的金字塔形喇叭類似。但這種喇叭的方形孔徑相對波導旋轉了45°。這種喇叭通常被加工成拼合塊，用於亞毫米波段。

脊棱喇叭——在角錐喇叭內壁中心軸線處添加平行脊棱或鰭片。脊棱結構降低截止頻率，增加天線帶寬。

隔板喇叭——內部設置正交金屬隔板，將單喇叭分割為多個子喇叭。

孔徑極限喇叭——長窄形喇叭。由於長徑比很大，故相較于波長，相位誤差可忽略，基本上可認為其輻射平面波。孔徑效率為1.0，可以達到給定口徑大小下的最大增益和最窄波束。其增益不受長度影響，只受衍射限制。用作射電望遠鏡和其他高解析度天線的饋電天線。

四脊開邊界喇叭——一種特殊類型的喇叭天線，四脊棱呈十字交叉，無外圍側壁。覆蓋頻段寬，雙線性極化。

雙脊開邊界喇叭——與上述的四脊開邊界喇叭類似。寬頻帶，低電壓駐波比（VSMR），高增益。

## 最佳喇叭

<image>

<image>

對於給定的頻率和喇叭長度，存在一個最優張角，可實現最小反射與最大增益。直壁喇叭的內部反射源于波傳播路徑上兩個阻抗突變點：喇叭的口面，以及喉部。這兩個位置的反射強度隨著喇叭的喇叭張角（喇叭壁與軸線的夾角）而變化。在喇叭張角較小的窄喇叭中，大部分反射發生在口面。由於天線的小口面近似於一個開路波導，具有較大的阻抗階躍，因此天線的增益較低。隨著角度的增加，口面處的反射迅速減小，天線的增益增加。相比之下，在張角接近90°的寬喇叭中，大部分反射都在喉部。由於喉部近似於開路波導，因此喇叭的增益也是很低的。隨著角度的減小，該位置的反射量下降，喇叭的增益再次增加。

該討論表明，在0°到90°之間存在某個張角，可實現最大增益和最小反射。這被稱為最佳喇叭。大多數實用的喇叭天線都是按最佳喇叭設計的。對於角錐喇叭來說，最佳喇叭的尺寸如下：

$$a_E = \sqrt{2 \lambda L_E} \qquad a_H = \sqrt{3 \lambda L_H}$$

對於圓錐喇叭，最佳喇叭的尺寸為：

$$d = \sqrt{3 \lambda L}$$

其中

aE是電場方向上孔徑的寬度

aH是H場方向上的孔徑寬度

LE是電場方向邊的傾斜高度

LH是H場方向邊的斜高

d是圓柱形喇叭孔徑的直徑

L是錐體距頂點的斜高

λ是波長

對於孔徑尺寸固定的情況，最佳喇叭產生的增益並不會是最大的。最大增益的實現是通過一種極長的喇叭（孔徑受限喇叭）實現的。對於喇叭長度固定的情況，相應喇叭長度下的最佳喇叭可產生最大的增益。不同頻率的最佳喇叭尺寸表格由微波手冊給出。

<image>

## 增益

喇叭的損耗很小，因此喇叭的指向性大致等於其增益。角錐喇叭天線的增益G （沿其波束軸的輻射功率強度與相同輸入功率的各向同性天線的強度之比）為：

$$G = \frac{4 \pi A}{\lambda^2} e_A$$

對於錐形喇叭，增益為：

$$G = \left ( \frac{\pi d}{\lambda} \right )^2 e_A$$

其中

A是孔徑的面積。

d是圓錐喇叭的孔徑

λ是波長。

eA是介於0和1之間的無量綱參數，稱為孔徑效率。

實際喇叭天線的孔徑效率範圍為0.4至0.8。對於最佳角錐喇叭，eA = 0.511, 而對於最佳圓錐喇叭，eA = 0.522。因此通常使用近似值0.5。孔徑效率隨喇叭長度的增加而增加，對於孔徑受限喇叭，孔徑效率近似為1。

## 喇叭反射器天線

霍格喇叭天線（或稱喇叭反射天線）是一種將喇叭天線與拋物面反射器結合在一起的天線，由Alfred C. Beck和Harald T. Friis於1941年發明，後由貝爾實驗室的 David C. Hogg於1961年進一步開發。由於其獨特的形狀，它也被稱為「糖勺（sugar scoop）」。它由一個帶有一個反射器喇叭天線組成，反射器安裝在喇叭口，與之成45度角，因此輻射光束與喇叭軸成直角。反射面為一段拋物面反射面，反射面焦點位於喇叭的頂點，因此該裝置等效於一個離軸饋電的拋物面天線。與標準拋物面天線相比，這種設計的優勢在於，喇叭可以屏蔽來自主波束軸以外角度的輻射，因此其輻射方向圖的旁瓣非常小。此外，與普通前饋拋物面天線不同，它的孔徑不會被饋源及其支撐物部分遮擋，這使其孔徑效率達到70%，而前饋天線的孔徑效率為55–60%。缺點是，對於給定的孔徑面積，它比拋物面天線更大更重，並且必須安裝在笨重的轉盤上才能完全操縱。20 世紀60年代，一些射電望遠鏡和通信衛星地面天線就採用了這種設計。然而，它最大的用途是作為AT&T長線微波網路中微波中繼鏈路的固定天線。自20 世紀70年代以來，這種設計已經被帶罩拋物面天線所取代，這種天線可以以更輕、更緊湊的結構實現同樣良好的旁瓣性能。可能最著名的例子是位於新澤西州霍姆德爾的貝爾實驗室的15米（49英尺）霍姆德爾喇叭天線。1965年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜用其發現了宇宙微波背景輻射，並因此獲得了 1978 年諾貝爾物理學獎。另一種較新的喇叭反射器設計是卡塞格倫喇叭，它是喇叭與使用兩個反射器的卡塞格倫拋物面天線的組合。

15米口徑漢姆戴爾喇叭天線，位於美國新澤西州漢姆戴爾貝爾實驗室。1964年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·伍德羅·威爾遜用其發現宇宙微波背景輻射。

## 外部連結

- Horn Antennas Antenna-Theory.com
- on Albert LaFrance long-lines.net website
- U. S. patent no. 2416675 Horn antenna system, filed November 26, 1941, Alfred C. Beck, Harold T. Friis on Google Patents