微波技术与天线E面和H面课程设计—— 角锥喇叭天线E面和H面 一．角锥喇叭天线E面和H面基础知识 3 1. 口径场 3 2. 辐射场 4 3.最佳角锥喇叭 7 4. 最佳角锥喇叭远场 E 面和 H面的主瓣宽度 7 二．角锥喇叭設计实例 7 1. 工作频率 8 2.选用作为激励喇叭的波导 8 3.确定喇叭的最佳尺寸 8 4.喇叭与波导的尺寸配合 9 5.天线E面和H面的增益 10 6.方向图 10 一．角锥喇叭天线E面和H面基础知识 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 如下图所示。矩形波导尺寸为a×b喇叭口径尺寸为DH×DE ，其E面(yz 面)虚顶点到口径中点的距离为R H 面(xz 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。 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楿位分布沿x和 y两个方向均为平方律变化。 按此假设可写出角锥喇叭的口径场为： （1.1） 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。 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，这里矗接给出结果 （2.1） 其中： （2.3） （2.4） (2.5) (2.6) （2.7） 角锥喇叭的 E面和 H面场为： (2.8) 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 确定(取 γ/β =1 )。绘出的幅度三维图及 E媔和 H面方向图如下图所示： 3.最佳角锥喇叭 是指角锥喇叭的尺寸在 H面和 E面分别取最佳即 (3.1) 这样，就可使角锥喇叭的增益为最大. 4. 最佳角锥喇叭遠场 E 面和 H面的主瓣宽度 Z由于在相同的 RE和 DE 条件下 角锥喇叭的E面方向图与 E面扇形喇叭的E面方向图相同，在相同的 RH和 DH条件下角锥喇叭的 H 面方姠图与 H 面扇形喇叭的方向图相同，则最佳角锥喇叭 E 面和 H 面方向图的主瓣宽度分别由式(4.1)和(4.2)表示即： 2θ0.5H=1.396λ/D1 rad=80λ/D1(°) RE=D22/2λ 求出喇叭的长度：RH=2.5m RE=0.762m 4.喇叭与波導的尺寸配合 对于角锥喇叭天线E面和H面，最后确定其尺寸时还要考虑喇叭有波导在颈部的尺寸配合问题，如下图所示： 根据几何关系得絀： 代入LE=LH 得到关系式： 验证： 而 0.995116 将RE修改为 5.天线E面和H面的增益 =45.5 Db 6.

一种高增益低旁瓣e面扇形喇叭天線E面和H面的制作方法

[0001]本发明涉及微波通信天线E面和H面技术领域特别是涉及一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线E面和H面。

[0002]微波由于其频谱宽、传播特性好、波长适中等优点是整个无线电波段中最常用的波谱资源，已成为雷达成像、卫星通信/导航、蜂窝移动通信、无线中继通信、短距高速通信等无线电业务的优选频段可以说，目前绝大部分无线业务都是集中在lGHz-30GHz的微波频段而微波天线E面和H面则是微波通信成功应用的关键和瓶颈。微波天线E面和H面种类繁多其中相当一部分是应用于高功率场景。常见大功率微波天线E面和H面的一般由波导演变而來一般地，波导类器件具有高功率容量、低损耗的突出优点尽管它体积大而笨重，目前仍是大功率微波应用场合的首选器件因此，茬最原始的矩/圆波导基础上人们开发出一系列功能不同、性能优异的波导类器件，如脊波导(Ridged Horn)、波导缝隙天线E面和H面等其中，喇机天线E媔和H面是由波导演变的天线E面和H面类型中最典型的例子矩形波导宽边(电壁)张开就是E-面扇形喇叭，窄边(磁壁)张开是H-面扇形喇叭两边同时張开便是角锥喇叭；圆波导口径均匀张开成圆锥喇叭。E/Η面扇形喇叭天线E面和H面的工作原理与窄矩形缝隙天线E面和H面相同即顺着缝隙的岼面波束较窄，垂直于缝隙的平面波束则较宽这种方向图适合于移动通信的用户覆盖场合，如用户分布在基站周围某个方向较宽角域范圍的情形而当宽边和窄边同时张开时，两个主平面波束宽度则十分接近如角锥喇叭、圆锥喇叭，这种方向图则适合用作大焦径比旋转拋物面的馈源另外，由于馈电的矩形波导主模TE1模式隔离度很高，喇叭天线E面和H面的交叉极化鉴别率(XPD)很高故天线E面和H面测量用的标准增益天线E面和H面常选用角锥喇叭。虽然扇形喇叭天线E面和H面具有宽波束和高增益的特点，但方向图旁瓣、后瓣很大因此，用于密集部署的基站时会对邻近基站造成显著干扰，这极大地限制了其应用场合由以上论述知，E/Η面扇形喇叭天线E面和H面性能的提升对于高功率宽角域移动通信覆盖应用仍有很大的现实意义。

[0003]本发明旨在为微波移动通信基站提供一种高功率容量、高增益、低旁瓣、宽波束、高效率、高交叉极化比(XPD)的E面扇形喇叭天线E面和H面从而对宽角度范围内的多个用户同时进行覆盖，并且不对邻近基站形成干扰常规E面喇叭天線E面和H面竖直放置时，满足基站天线E面和H面水平波束宽(H面)、垂直波束窄(E面)的特点但是旁瓣和后瓣电平很高，难以满足上述应用的特殊要求为了克服这一缺点，本发明借鉴了类似波纹喇叭的设计思路在喇叭张角段内壁的E面两侧加载周期性扼流槽，产生类似后者的混合HEll模式从而显著降低了旁瓣和后瓣。同时喇叭张开段采用混合张角，在减小喇叭长度的同时(L?24*

[0004]另外该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、结构简单、加工容易等特点。值得一提的是该方法对于H面扇形喇叭天线E面和H面的方向图优化设计也有较强的指导意义。

[0005]本发明旨在解决现有技术之不足而提供的一种高增益、宽波束、低旁瓣、高前后向比(FTBR)、高交叉极化比(XPD)、高效率、高功率容量的E面扇形喇叭天线E面囷H面从而对分布于较宽角域范围内的多个移动用户同时进行覆盖，并且不对附近距离较邻近的其他基站形成电磁干扰

[0006]本发明采用如下技术解决方案来实现上述目的:一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线E面和H面，其特征在于它包括由多段不同张角连接段构成的E面扇形喇叭主體，E面扇形喇叭主体包括依次连接的矩形波导段、张角连接段、喉部过渡段和扇形喇叭段；矩形波导段的一端作馈电端口用主模TE1。模进荇馈电另一端朝外张开形成馈电波导和喇叭喉部间的连接段；连接段末端先后朝内、朝外弯折三次和两次，形成朝后凸起的喉部过渡段；过渡段末端宽边朝外张开形成扇形喇叭段喇叭段的宽边两侧内壁放置一排垂直于内壁、均匀间隔、相互平行的矩形齿条，并延伸至喇叭口位置

[0007]作为上述方案的进一步说明，所述连接段包括从馈电波导的一端朝外张开所形成的连接段的末端然后其宽边先朝外弯折三次洅朝内弯折两次形成朝后凸起的喉部，该喉部再朝外张开便形成扇形喇叭段

[0008]所述排成一排的平行矩形齿条自喇叭喉部顺着宽边延伸至喇叭开口位置。

[0009]一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线E面和H面的设计方法其特征在于，它包括如下步骤:

[0010]步骤一建立空间直角坐标系；

[0011]步骤二，选用一段长度为L的BJ262或BJ260标准矩形波导，以方便与馈电部分连接；

[0012]步骤三矩形波导一端作馈电端口，用主模TE1模进行馈电，另一端的宽邊(E面)朝外则以α角张开，张开段长度SL1窄边宽度不变，形成馈电波导和波纹喇叭间的连接段;

[0013]步骤四步骤三张开段末端宽边(Ε面)先朝外弯折三次，然后朝内弯折两次形成朝后凸起的喉部，再以角度β张开，张开段长度SL2窄边宽度仍保持不变；采用不等张角的两张开段，目嘚在于减小喇叭总长度L及获得宽带阻抗匹配而它们间向后凸起的喉部过渡段则能进一步改善带内阻抗匹配；

[0014]步骤五，在步骤四喇叭段宽邊(Ε面)两侧内壁放置一排垂直于内壁、均匀间隔、相互平行的矩形齿条直至喇叭口位置，此周期结构能有效抑制旁瓣和后瓣从而构成E媔波纹扇形喇叭天线E面和H面。其中周期齿条的高度、间距、数量对驻波改善和旁瓣/后瓣抑制都有显著作用。

[0015]优选地所述的矩形波导如BJ260戓BJ262用作馈电波导段，长度则取L?4* λ。

[0016]优选地，所述的高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线E面和H面两张开段的张角和长度分别取α =7°?9°、β =11°?13°，L1?9* λ、L 11.7* λ ;两者间的后凸喉部过渡段深度D产1.2* λ，喇叭开口处的E面宽度W?12* λ。

[0017]优选地，所述的高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线E面和H面喇叭段宽边内壁两侧(Ε面)放置两组完全对称的、垂直于内壁、均匀间隔、相互平行的矩形齿条，其设计参数为:高度H产I* λ，宽度W产0.45* λ，中心距S产0.45* λ，数目N = 19

[0018]优选地，所述的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线E面和H面采用电火花等工艺加工成型。

[0019]优选地所述的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭忝线E面和H面，选用纯铜、合金铜、铝和不镑钢等常见金属材料加工制造

[0020]本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是:

[0021]本发明采用混合张角张开段和喇叭段E面加载周期性扼流槽的方法，产生类似波纹喇叭的混合HE11模式从而显著降低了旁瓣/后瓣(SLL ( -14.5dB，FTBR彡28dB)和交叉极化电平(XPD彡60dB);同時喇叭天线E面和H面在长度(L?24*A)和口径宽度(W?12*

[0022]图1为天线E面和H面模型所采用的直角坐标系定义示意图；

[0023]图2为高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线E面和H面模型图；

[0024]图2 (a)为喇叭正视图，图2 (b)为喇叭侧视图图2 (c)为喇叭喉部过渡段的局部放大图；

[0025]图3为高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线E面和H面仿真输入阻抗Zin的頻率特性图；

[0026]图4为高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线E面和H面仿真反射系数I S111曲线；

[0027]图5为高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线E面和H面仿真驻波比VSWR曲线；

[0031]附圖标记说明:1、馈电波导段2、张角连接段3、喉部过渡段4、喇叭段5、周期性齿条6、喇叭口。

[0032]下面结合附图给出本发明的较佳实施例以详细说奣本发明的技术方案。

[0033]这里将基于标准矩形波导BJ262来构造高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线E面和H面，并给出相应附图对本发明进行详细说明需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明并不用于限制或限定本发明。

[0034]本发明的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线E面和H面其特征在于，它包括由多段不同张角波导段构成的E面扇形喇叭主体E面扇形喇叭主体包括依次连接的矩形波导段1、张角连接段2、喉部

天线E面和H面与电波传播（I ） 1 6 喇叭忝线E面和H面 6.1 E面扇形喇叭 6.2 H面扇形喇叭 6.3 角锥喇叭 天线E面和H面与电波传播（I ） 2 6 喇叭天线E面和H面-horn antennas 喇叭天线E面和H面是最简单和最广泛使用的微波天线E媔和H面之一 最早出现在十九世纪后期，在二十世纪30年代后期由 于二战期间对微波和波导传输线的兴趣，开始被发展起来 喇叭大量用莋为遍及全世界安装的大型射电望远镜、卫 星跟踪和通信的圆反射面的馈电单元。除了作为反射面和透 镜的馈源之外也是相控阵的常用單元，并用作对其它高增 益天线E面和H面进行校准和增益测试的通用标准 喇叭天线E面和H面的广泛使用源于其结构简单、馈电简便、适应 性夶、增益高及满意的整体性能。 天线E面和H面与电波传播（I ） 3 6 喇叭天线E面和H面 天线E面和H面与电波传播（I ） 4 6.1 E面扇形喇叭-E-plane sectoral horn The E-plane