• 喇叭天線的擴(kuò)口可減少相位誤差、提高增益并改善阻抗匹配。例如，10 GHz 的擴(kuò)口喇叭可提高增益 6 dB，使信號(hào)強(qiáng)度提高 4 倍。適當(dāng)?shù)臄U(kuò)口可將相位誤差降低到 5 度以下，確保信號(hào)傳輸準(zhǔn)確。

在喇叭天線中，喇叭口非常重要，因?yàn)樗梢栽鰪?qiáng)阻抗匹配，從而大大提高其性能。如果沒(méi)有提供適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ?，則由于反射到自由空間，會(huì)導(dǎo)致波導(dǎo)連接處產(chǎn)生巨大的功率損耗。例如，在簡(jiǎn)單的矩形波導(dǎo)的情況下，當(dāng)阻抗不匹配太高時(shí)，多達(dá)50%的信號(hào)功率可能會(huì)向后反射，從而降低系統(tǒng)效率。喇叭口可確保阻抗逐漸變化，從而減少這些反射，從而使天線能夠輻射或接收更多的功率。

在實(shí)際應(yīng)用中，例如在衛(wèi)星通信中，這一點(diǎn)就變得不可或缺。例如，考慮安裝在衛(wèi)星天線上的喇叭天線，其信號(hào)功率為100 瓦。由于阻抗不匹配，30%的功率被反射。只有70 瓦能達(dá)到目的，其余30 瓦則被浪費(fèi)。但是，如果使用適當(dāng)外擴(kuò)的喇叭，反射損失可降低至2-5%，因此有用功率介于95至98 瓦之間。

這可能是2.4 GHz或5 GHz Wi-Fi系統(tǒng)的情況，其中阻抗不匹配可能會(huì)削弱信號(hào)，在應(yīng)該覆蓋的區(qū)域產(chǎn)生盲點(diǎn)。適當(dāng)喇叭形天線可最大限度地減少信號(hào)損失，從而實(shí)現(xiàn)足夠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)范圍和可靠性。

從實(shí)用角度來(lái)說(shuō)，這可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)?/span>喇叭口角度和長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體取決于所應(yīng)用的頻率和操作環(huán)境。在雷達(dá)系統(tǒng)中工作的高增益喇叭天線中，信號(hào)范圍為1 GHz 至 40 GHz，必須精確計(jì)算喇叭口。它可能采用較大的喇叭口角度（約10 到 15 度）來(lái)最大化增益并確保平滑的阻抗過(guò)渡，而在較低頻率應(yīng)用的情況下，較小的喇叭口角度可能就足夠了。

-阻抗匹配

在喇叭天線中，喇叭口在阻抗匹配中非常重要，而阻抗匹配在電力傳輸中起著巨大的作用。例如，在波導(dǎo)阻抗為377 歐姆的10 GHz喇叭天線中，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)睦瓤谧杩故?，自由空間阻抗可能會(huì)導(dǎo)致高達(dá)40%的傳輸功率反射回其源頭。這種反射會(huì)導(dǎo)致效率低下，特別是在衛(wèi)星通信的高功率應(yīng)用中，因?yàn)榧词?strong>10% 的反射也會(huì)導(dǎo)致100 瓦信號(hào)損失10 瓦，并大大降低系統(tǒng)效率。在雷達(dá) 等更大規(guī)模的系統(tǒng)中，功率水平甚至更大，有時(shí)短時(shí)間內(nèi)可達(dá)到兆瓦級(jí)，而阻抗匹配不佳可能會(huì)導(dǎo)致多達(dá)20%的信號(hào)反射回系統(tǒng)。在1MW傳輸下，這相當(dāng)于浪費(fèi)200kW的電力。相比之下，設(shè)計(jì)為從377 歐姆平穩(wěn)過(guò)渡到自由空間阻抗的喇叭天線可以將反射損耗降低到1%以下，從而節(jié)省幾乎所有功率以實(shí)現(xiàn)有效傳輸。這種阻抗匹配程度對(duì)于以精度和范圍為基礎(chǔ)運(yùn)行的雷達(dá)系統(tǒng)尤為重要。

此外，在商業(yè)通信系統(tǒng)（如蜂窩基站）中，通過(guò)喇叭天線擴(kuò)口減少阻抗不匹配可減少額外放大的必要性。由于不匹配而導(dǎo)致的5%功率損失乍一看可能微不足道，但這種微小的低效率，隨著時(shí)間的推移和在龐大網(wǎng)絡(luò)中的許多單元中積累起來(lái)，就會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本。例如，在發(fā)射50 瓦功率的基站中， 5%的反射意味著每個(gè)天線浪費(fèi)2.5 瓦?，F(xiàn)在將其乘以100 個(gè)基站，總浪費(fèi)功率可能高達(dá)250 瓦，從而增加電力成本并降低系統(tǒng)性能。

在空間通信中，喇叭天線可增強(qiáng)阻抗匹配，特別是在預(yù)算有限的情況下。航天器對(duì)可使用功率的限制通常非常嚴(yán)格；許多航天器的所有系統(tǒng)可用功率加起來(lái)不到100 瓦。由于阻抗不匹配，喇叭天線系統(tǒng)僅僅損失2%的功率就可能決定信號(hào)是成功接收還是太弱而無(wú)法檢測(cè)到，尤其是在長(zhǎng)距離通信中。例如，NASA 的火星探測(cè)器在100 到 150 瓦的總功率范圍內(nèi)運(yùn)行，因此即使是2%的極輕微不匹配也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度下降到2 或 3 瓦，并影響到地球的遠(yuǎn)距離通信。

喇叭口還有助于在多個(gè)頻率上實(shí)現(xiàn)連續(xù)的阻抗匹配。例如，在Wi-Fi 系統(tǒng)中，天線設(shè)計(jì)為在2.4 GHz或5 GHz等頻率下工作。Wi -Fi系統(tǒng)中僅導(dǎo)致3%功率損失的不匹配就會(huì)導(dǎo)致覆蓋區(qū)域信號(hào)明顯減弱。如果 WiFi 接入點(diǎn)傳輸1 瓦（30 dBm）功率，并且由于阻抗匹配不良而導(dǎo)致3% 的反射損失，則意味著輻射功率損失0.03 瓦。

-波束控制

因此，通過(guò)擴(kuò)口，可控制喇叭天線的輻射方向圖，使波束更加集中，旁瓣更小。考慮到那些應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)且工作頻率約為10 GHz的喇叭天線，嚴(yán)格的波束控制必不可少。例如，在20 度擴(kuò)口角的情況下，旁瓣相對(duì)于主瓣可低至-20 dB。如果擴(kuò)口不當(dāng)，則旁瓣將保持在-10 dB左右，這實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致更多的噪聲和干擾，從而降低信號(hào)質(zhì)量。在空中交通管制等對(duì)精度至關(guān)重要的雷達(dá)應(yīng)用中，波束控制方面的這種進(jìn)步可確保更準(zhǔn)確的目標(biāo)跟蹤。

喇叭天線通常用于衛(wèi)星通信，通過(guò)限制波束擴(kuò)散來(lái)保持較窄的波束寬度。例如，這種喇叭天線在12 GHz下工作時(shí)，如果具有15 度喇叭角，則可以實(shí)現(xiàn)大約5 度的波束寬度。另一方面，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)睦冉?，波束寬度可能?huì)增加到10 度甚至更多。波束的增加會(huì)導(dǎo)致信號(hào)集中度降低，從而降低信噪比。由于波束從30 dB降至20 dB，導(dǎo)致的信噪比降低會(huì)嚴(yán)重降低數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，尤其是在使用地球靜止衛(wèi)星進(jìn)行通信時(shí)，因?yàn)檫@需要精確控制波束以避免干擾鄰近衛(wèi)星。

對(duì)于工作在2.4 GHz或5 GHz 的Wi-Fi 系統(tǒng)，波束控制也很重要。當(dāng)喇叭天線的喇叭角不合適時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。波束寬度變得無(wú)方向性，導(dǎo)致覆蓋區(qū)域重疊。這反過(guò)來(lái)又會(huì)在相鄰的接入點(diǎn)之間造成干擾。例如，具有10 度喇叭角的天線可以提供45 度的聚焦波束寬度，而設(shè)計(jì)不良且沒(méi)有喇叭角的天線的波束寬度可能會(huì)超過(guò)60 度。更寬的波束會(huì)增加干擾，并在擁塞區(qū)域使整體網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低高達(dá)20%；這可能需要進(jìn)一步投資于更復(fù)雜的干擾緩解技術(shù)（如波束成形）來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

在射電天文學(xué)等科學(xué)應(yīng)用中，波束控制對(duì)于探測(cè)來(lái)自遙遠(yuǎn)源的微弱信號(hào)至關(guān)重要。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，喇叭天線將能夠以大約30 度的喇叭角在1 GHz下工作，從而產(chǎn)生小至約2 度的窄波束寬度，進(jìn)而非常精確地瞄準(zhǔn)天體。如果沒(méi)有喇叭角，波束寬度可能會(huì)高達(dá)5 度或更大，這將導(dǎo)致信號(hào)稀釋，甚至可能丟失一些重要的天文數(shù)據(jù)。這反過(guò)來(lái)意味著，通過(guò)波束控制，研究人員將能夠?qū)⒂^察精度提高2 到 3倍，從而獲得更好的信噪比，從而能夠探測(cè)深空中更暗的源。

在軍事應(yīng)用中，特別是在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中，需要高度精確的波束控制，以便可以瞄準(zhǔn)特定的敵方信號(hào)而不被發(fā)現(xiàn)。它可以設(shè)計(jì)為在8 GHz下以20 度的張角運(yùn)行，這會(huì)產(chǎn)生約3 度的非常窄的波束寬度，從而更集中地干擾敵方通信。天線的張角差會(huì)導(dǎo)致6 度波束，這反過(guò)來(lái)會(huì)降低干擾信號(hào)的有效性，因?yàn)檫@會(huì)將信號(hào)傳播到更大的區(qū)域。這將導(dǎo)致失去焦點(diǎn)，從而使干擾效果降低多達(dá)50%，從而危及精度至關(guān)重要的關(guān)鍵任務(wù)。

-增大增益

喇叭天線中的喇叭口可提供更大的有效孔徑，從而有助于提高增益。例如，假設(shè)一個(gè)工作在10 GHz頻率下的喇叭天線，其喇叭口孔徑為1 米，可實(shí)現(xiàn)約24 dBi 的增益。如果沒(méi)有喇叭口，孔徑可能會(huì)減小到0.5 米，導(dǎo)致增益降低約18 dBi。由于增益隨著孔徑尺寸呈對(duì)數(shù)增加，因此此6 dB 的增益差異通常可使喇叭口天線發(fā)射或接收的功率比非喇叭口天線多四倍。這在長(zhǎng)距離通信等應(yīng)用中至關(guān)重要，因?yàn)樵鲆媾c更長(zhǎng)的傳輸范圍和更好的信號(hào)強(qiáng)度直接相關(guān)。

在衛(wèi)星通信中，嚴(yán)格的波束整形和高增益必不可少。一個(gè)設(shè)計(jì)精良的喇叭天線在12 GHz時(shí)具有1.5 米喇叭口，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)30 dBi 的增益。較小的非喇叭天線可能只有0.75 米的孔徑，因此只能提供24 dBi 的增益。喇叭天線可以在相同功率水平下將傳輸距離加倍，或者在相同距離下將功率減半。事實(shí)上，這6 dBi 的差異可能會(huì)帶來(lái)重要的操作影響。例如，一個(gè)通過(guò)增益為 30 dBi的喇叭口廣播100 瓦的衛(wèi)星，其服務(wù)區(qū)域可以是額定功率為24 dBi的類似喇叭天線的兩倍。這樣，通信范圍可以大大擴(kuò)展，同時(shí)功耗和運(yùn)營(yíng)成本也會(huì)降低。 同樣，在雷達(dá)應(yīng)用中，增益會(huì)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的檢測(cè)產(chǎn)生影響，因此喇叭設(shè)計(jì)成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，工作在5 GHz頻率下的2 米喇叭天線的增益可高達(dá)35 dBi左右，能夠檢測(cè)300 公里范圍內(nèi)的物體。工作在相同頻率但孔徑為1 米的較小非喇叭天線的增益可低至約29 dBi，從而將檢測(cè)范圍縮小至約200 公里。100公里的范圍差異在軍事和空中交通管制作業(yè)中可能至關(guān)重要，因?yàn)檫@些情況下需要從遠(yuǎn)處檢測(cè)物體。更重要的是，增強(qiáng)的增益進(jìn)一步抑制了信噪比，從而使雷達(dá)系統(tǒng)在雜波環(huán)境下更加可靠。

Wi-Fi 系統(tǒng)中的喇叭天線增益更高，可以非常有效地聚焦信號(hào)，減少干擾并增加覆蓋范圍。與10 dBi的標(biāo)準(zhǔn)天線相比，Wi-Fi 接入點(diǎn)的覆蓋范圍可從50 米增加到 200 米，這可以通過(guò)在喇叭天線上增加喇叭口來(lái)將增益提高到18 dBi來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)減少實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋所需的接入點(diǎn)數(shù)量，這一更大的覆蓋范圍可以帶來(lái)重要的經(jīng)濟(jì)效益。例如，在大型辦公樓中，高增益喇叭天線可以將接入點(diǎn)數(shù)量從10 個(gè)減少到 4 個(gè)，并將安裝和維護(hù)成本降低一半以上。

對(duì)于深空通信而言，需要極高的增益才能將信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)十億公里的范圍內(nèi)，在8 GHz下工作的具有3 米大孔徑的喇叭天線的增益為40 dBi。相比之下，以相同頻率輻射但孔徑為1.5 米、增益為 34 dBi 的非喇叭天線的通信范圍將減少近50% 。例如，美國(guó)宇航局的旅行者號(hào)航天器的天線（其通信距離超過(guò)200 億公里）必須具有極高的增益（大于50 dBi）才能在廣闊的太空中發(fā)送和接收極其微弱的信號(hào)。

-減少相位誤差

因此，對(duì)于喇叭天線，可以充分利用喇叭口來(lái)最小化孔徑上的相位誤差。這種技術(shù)可以顯著提高對(duì)信號(hào)傳輸精度有嚴(yán)格要求的系統(tǒng)的性能。例如，用于12 GHz衛(wèi)星通信的喇叭天線很可能由于相位對(duì)準(zhǔn)不完整而出現(xiàn)高達(dá)30 度的相位誤差。其結(jié)果是波前失真，導(dǎo)致質(zhì)量下降，尤其是在長(zhǎng)距離鏈路上。使用具有適當(dāng)計(jì)算的孔徑形狀和大小的喇叭口，可以將這些相位誤差降低到5 度以下，從而產(chǎn)生更清晰的波前和更準(zhǔn)確的信號(hào)傳輸。

雷達(dá)的相位誤差可能相當(dāng)嚴(yán)重。典型的5 GHz雷達(dá)系統(tǒng)的喇叭天線會(huì)有20 度的相位誤差。由于此類誤差產(chǎn)生的破壞性干擾，這可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度降低10%，從而相應(yīng)地縮小檢測(cè)范圍。例如，如果雷達(dá)系統(tǒng)的平均范圍為300 公里，則其功率可能會(huì)降低10%，從而有效地將該范圍縮小30 公里。引入一個(gè)設(shè)計(jì)用于將相位誤差保持在5 度以下的優(yōu)質(zhì)喇叭天線，可能剛好可以讓系統(tǒng)恢復(fù)失去的范圍，從而確保提高對(duì)軍事或空中交通管制目標(biāo)的檢測(cè)能力。

射電天文學(xué)使用天線，天線口徑的相位誤差會(huì)使被觀測(cè)物體的圖像失真。如果口徑處的相位誤差超過(guò)15 度，則將導(dǎo)致1 GHz喇叭天線信號(hào)模糊。如此小的誤差就會(huì)使最終圖像的分辨率降低20%。旨在逐漸塑造波前的耀斑可以將這些相位誤差降低到3 度以下，從而使分辨率提高25%。在研究深空中的暗淡物體時(shí)，這種相位誤差的減少極為重要，因?yàn)榧词故俏⑿〉男盘?hào)失真也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴(yán)重下降。如果沒(méi)有耀斑，天文學(xué)團(tuán)隊(duì)可能不得不進(jìn)行更復(fù)雜的后期處理，而這非常耗時(shí)且耗費(fèi)資源。

在Wi-Fi 應(yīng)用中，相位誤差可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，尤其是在大型環(huán)境中使用多個(gè)接入點(diǎn)時(shí)。這意味著，如果2.4 GHz Wi-Fi 系統(tǒng)中使用的喇叭天線的相位誤差為10 度，則未對(duì)準(zhǔn)的波前可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)干擾和數(shù)據(jù)吞吐量降低高達(dá)15% 。對(duì)于通常提供100 Mbps 的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，這種吞吐量的降低意味著15 Mbps的損失- 這會(huì)嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)，尤其是在辦公室或公共場(chǎng)所等高要求環(huán)境中。但是，設(shè)計(jì)良好的喇叭天線可以將相位誤差降低到2°以下，并將信號(hào)失真降至最低，確保吞吐量效率非常接近100%。

在衛(wèi)星跟蹤中，為了保持遠(yuǎn)距離通信，非常需要精確的相位對(duì)準(zhǔn)，超過(guò)10° 的相位誤差會(huì)引起信號(hào)失真，從而對(duì)保持衛(wèi)星鎖定的能力產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，當(dāng)相位誤差導(dǎo)致信號(hào)偏差5%時(shí)， 10 GHz的地面跟蹤站可能會(huì)失去信號(hào)鎖定。通過(guò)采用喇叭設(shè)計(jì)，相位誤差從上方被限制在2 度以內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)上述保持通信的目的。