双模圆锥喇叭天线的设计课件
喇叭天线的设计1206030201
微波技术与天线课程设计——角锥喇叭天线姓名：***学号：**********目录一．角锥喇叭天线基础知识 (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．角锥喇叭设计实例 (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.天线的增益 (10)6.方向图 (10)一．角锥喇叭天线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D H×D E，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R E,H 面(xz 面)内虚顶点到口径中点的距离为R H。
1. 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相位分布沿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：ηπβyX R y R x j H y E H eD xE E EH -==+-)2(022)cos( （1.1）如果是尖顶角锥喇叭，则 R H ＝ R E ，可用作标准增益喇叭。
若是楔形喇叭，则R H ≠R E 。
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。
2. 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，这里直接给出结果。
])cos 1([cos 2])cos 1([sin 200H E r j H E r j I I re E j E I I r e E j E θϕλθϕλβϕβθ+=+=-- （2.1）其中：)]})()([)()({)]}()([)()({(213434)2/(1212)2/(2221u S u S j u C u C eu S u S j u C u C e R I H x H x R j R j H H +-+++-+=--βββββπ（2.3）)]}()([)()({211212)2/(2w S w S j w C w C e R I E Y R j E E +-+=-βββπ（2.4）H x Hx D D /cos sin /cos sin 21πϕθββπϕθββ-=+= (2.5)HH x H H H x H HH x H H H x H R R D u R R D u R R D u R R D u πβββπβββπβββπβββ/)2/(/)2/(/)2/(/)2/(21211111-=+=-=+= (2.6))sin sin 2()sin sin 2(21ϕθπβϕθπβE EE E EE R D R w R D R w -=+= （2.7） 角锥喇叭的 E 面和 H 面场为：2/||====ϕϕπϕθE E E E H E (2.8)在角锥喇叭的 D E 、R E 、D H 、R H 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。
12.喇叭天线(2)
图 10-24 加速透镜剖面
与介质透镜的分析方法一样，目的是要确定 p AB 曲线的方程，结果为：
(1 − n 2 ) x 2 + 2(1 − n) fx + y 2 = 0
(椭圆方程)
(10.60)
在上面的讨论中， 介绍了三种透镜形式， 即介质透镜， 空气透镜和金属透镜。 虽然使用它们可使喇叭的口径场相位得到校正， 但是使用它们后喇叭口径场幅度 分布将受到影响， 还将产生反射。 幅度分布变化， 也将引起辐射方向图发生变化。 这个问题，感兴趣的同学可参阅相关文献。
r 2 = ( x + f )2 + y 2 r = f + nx
→
r=
(n − 1) f n cos ϕ − 1
(10.55)
⇒
(n 2 − 1) x 2 + 2(n − 1) fx − y 2 = 0
(10.56)
q 为双曲线形式。如上推导没用到折射定律， 上式说明，透镜剖面曲线 AOB 可以证明，该曲线满足折射定律。 在透镜边缘 A 和 B 两点处满足如下关系
3．金属透镜（加速透镜）
由一些平行金属片构成，见前面图 10-19(b)(d)及下面图 10-24。相邻的两片 构成波导，其性质与矩形波导类似，当电场矢量通过金属片构成小波导时(即这 些波导中为 TE10 模)，可得相速νp 和折射率 n 如下
vp = c 1 − ( λ 2d )
2
， n=
c 2 = 1 − ( λ 2d ) < 1 vp
e− jβ r r
(10.61)
ˆ 为单位矢量， E (θ , ϕ ) ——远场幅度方向图函数 式中， u
如果取圆锥喇叭口径上的最大相位差为
课件：实验6 圆锥喇叭天线设计
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创建一个放置于圆锥体Taper上的圆柱体，其截面半径 和高度分别用变量b和h3表示，其底面圆心位于（0， 0，h1+h2），并将其命名为Throat。
在主菜单栏中选择draw----cylinder或单击工具栏上的圆 柱体按钮，进入创建圆柱体的状态。新建的圆柱体会 添加到操作历史树的solids节点下，默认名cylinder1。
• 再次在三维模型窗口中单击鼠标右键，在弹出的菜单中选 择assign boundary----Perfect E命令，打开一个对话框，直 接单击ok按钮，将前面选中的表面的边界条件设置为理想 导体边界。
设置辐射边界条件 使用HFSS分析天线时，需要设置辐射边界，且辐射边界表面
距离辐射体需要不小于1/4波长。
第六章 圆锥喇叭天线的设计与 分析
一、喇叭天线
• 喇叭天线（Horn Antennas）是最广泛使用
的微波天线之一。它的出现与早期应用可 追溯到19世纪后期。喇叭天线除了大量用 做反射面天线的馈源以外，也是相控阵天 线的常用单元天线，还可以用做对其它高 增益天线进行校准和增益测试的通用标准。 • 它的优点是具有结构简单、馈电简便、频 带较宽、功率容量大和高增益的整体性能。
3.设计建模
• 创建喇叭模型 创建一个放置于xy平面上的圆柱体，其截面半
径和高度分别用变量a和h1表示，其底面圆心位于坐 标原点，并将其命名为Waveguide。
在主菜单栏中选择draw----cylinder或单击工具栏上的圆 柱体按钮，进入创建圆柱体的状态。新建的圆柱体会 添加到操作历史树的solids节点下，默认名cylinder1。
喇叭天线的设计1206030201
微波技能与天线课程安排——之阳早格格创做角锥喇叭天线姓名：吴爽教号：1206030201目录一．角锥喇叭天线前提知识34. 最好角锥喇叭近场 E里战 H里的主瓣宽度7二．角锥喇叭安排真例7一．角锥喇叭天线前提知识角锥喇叭是对付馈电的矩形波导正在宽边战窄边均按一定弛角弛启而产生的，如下图所示.矩形波导尺寸为a×b，喇叭心径尺寸为D H×D E，其E里(yz 里)真顶面到心径中面的距离为R ，H 里(xz 里)内真顶面到心径中面的距离为R E,H 里(xz 里)内真顶面到心径中面的距离为R H.1. 心径场角锥喇叭内的电磁场，暂时还已有庄重的剖析解截止，本果正在于，角锥喇叭正在 x战 y二个目标随喇叭的少度目标均是渐变而渐渐扩展的，果而要正在一个正接坐标系下供得角锥喇叭内的场的庄重剖析解是艰易的.常常近似天认为，矩形角锥喇叭中的电磁场具备球里波个性，而且假设角锥喇叭心径里上的相位分散沿x 战 y 二个目标均为仄圆律变更.按此假设，可写出角锥喇叭的心径场为：ηπβy X R y R x j H y E H e D x E E EH -==+-)2(022)cos(（1.1）如果是尖顶角锥喇叭，则 R H ＝ R E ，可用做尺度删益喇叭.假如楔形喇叭，则R H ≠R E .由此心径里场分散估计的近场与真测的截止符合的很好，道明白假设的心径场分解模型的精确性.2. 辐射场由角锥喇叭的心径场分散，仿照前里供 E 里战 H 里扇形喇叭近区辐射场的步调，便不妨供出角锥喇叭的近区辐射场表白式.由于估计历程较繁，那里间接给出截止.])cos 1([cos 2])cos 1([sin 200H E rj H E rj I I r e E j E I I re E j E θϕλθϕλβϕβθ+=+=-- （2.1） 其中：)]})()([)()({)]}()([)()({(213434)2/(1212)2/(2221u S u S j u C u C e u S u S j u C u C e R I H x H x R j R j H H+-+++-+=--βββββπ （2.3）)]}()([)()({211212)2/(2w S w S j w C w C e R I E Y R j E E +-+=-βββπ（2.4） H x Hx D D /cos sin /cos sin 21πϕθββπϕθββ-=+= (2.5)H H x H HH x H HH x H HH x H R R D u R R D u R R D u R R D u πβββπβββπβββπβββ/)2/(/)2/(/)2/(/)2/(21211111-=+=-=+= (2.6))sin sin 2()sin sin 2(21ϕθπβϕθπβE E E E E E R D R w R D R w -=+= （2.7）角锥喇叭的 E 里战 H 里场为： 02/||====ϕϕπϕθE E E E H E (2.8)正在角锥喇叭的 D E 、R E 、D H 、R H与扇形喇叭的相共时，不妨道明:■角锥喇叭正在 E 里的目标图与 E 里扇形喇叭的 E 里目标图相共；■角锥喇叭正在 H 里内的目标图与 H 里扇形喇叭正在 H 里内的目标图相共.决定(与γ/β =1 ).画出的幅度三维图及 E 里战 H 里目标图如下图所示：是指角锥喇叭的尺寸正在 H 里战 E 里分别与最好，即 λλ2322E Eop H HopD R D R ==43ϕπϕ= (3.1)那样，便可使角锥喇叭的删益为最大.4. 最好角锥喇叭近场 E 里战 H 里的主瓣宽度Z 由于正在相共的 R E 战 D E 条件下， 角锥喇叭的E 里目标图与 E 里扇形喇叭的E 里目标图相共，正在相共的 RH 战 DH 条件下，角锥喇叭的 H 里目标图与 H 里扇形喇叭的目标图相共，则最好角锥喇叭 E 里战 H 里目标图的主瓣宽度分别由式(4.1)战(4.2)表示，即：2θλ/D 1 rad=80λ/D 1(°) (4.1)2θλ/D 1 rad=54λ/D 1(°) (4.2)角锥喇叭做天线时，可按此央供安排.二．角锥喇叭安排真例1.处事频次教号：12060302011000+50+1500=2500MHZ波少λ波导的尺寸a,b应包管波导内只传输TE10波.果此采用λ=λ笔曲极化，电场目标笔曲于大天已给定波束宽度火仄里：2θλ/D1 rad=80λ/D1(°)供得 D1=0.9408m （2θ=10）笔曲里：2θλ/D1 rad=54λ/D1(°)供得 D2=0.42336m （2θ=15）决定尺寸D1，D2喇叭尺寸决定后，由喇叭最好尺寸公式：R H=D12/3λR E=D22/2λ供出喇叭的少度：R HR E对付于角锥喇叭天线，末尾决定其尺寸时，还要思量喇叭有波导正在颈部的尺寸协共问题，如下图所示：代进得到闭系式：考证：而将R E 建改为cm R H 51.2995116.0=9.182451.0212==D D G λπ=45.5 Db表里估计公式：角锥喇叭E 里目标图战H 里目标图分别为对付应的E 里扇形喇叭的E 里目标图战H 里扇形喇叭的H 里目标图.E 里目标图：其中：⎪⎭⎫ ⎝⎛--=θπsin 2222'1R D R k tH 里目标图：其中：⎪⎭⎫ ⎝⎛--=1'11'121R k kD kR t x π dt t x C x ⎰=02)2cos()(π <余弦Fresnel 积分>dt t x S x ⎰=02)2sin()(π<正弦Fresnel 积分> Matlab 源步调：E 里目标图clcclear%a=input('请输进角锥输进端宽度（H 里）单位mm a=') a=8.5;a=a*10.^(-3);%b=input('请输进角锥输进端宽度（E 里）单位mm b=') b=4;b=b*10.^(-3);%D1=input('请输进角锥心径宽度（H 里）单位mm A=') D1=94;D1=D1*10.^(-3);%D2=input('请输进角锥心径宽度（E 里）单位mm B=')D2=42.3;D2=D2*10.^(-3);%h=input('请输进喇叭心少度单位mm H=')h=227;h=h*10.^(-3);%f=input('请输进处事频次单位0.1MHZ f=')f=25500;f=f*10.^6;lamd=3*10.^8/f;R2=h/(1-b/D2);theta=-60:0.2:60;k=2*pi/lamd;theta1=theta.*pi/180;t1_1=sqrt(k/(pi*R2)).*(-(D2/2)-R2.*sin(theta1));t2_1=sqrt(k/(pi*R2)).*((D2/2)-R2.*sin(theta1)); EE=exp(j.*(k.*R2.*(sin(theta1))./2)).*F(t1_1,t2_1); FE=-j.*(a*sqrt(pi*k*R2)/8).*(-(1+cos(theta1))*(2/pi)*(2/pi).*EE);FE1=abs(FE);FE1=FE1./max(FE1);FEdB=20*log10(FE1);figure(1)plot(theta,FEdB);grid ontitle('角锥喇叭E里目标图')xlabel('Angle(\theta)/\ circ')ylabel('Gain(\theta)')H里目标图R1=h/(1-a/D1);theta=-60:0.2:60;k=2*pi/lamd;theta1=theta.*pi/180;kx_1=k.*sin(theta1)+pi/D1;kx_11=k.*sin(theta1)-pi/D1;f1=kx_1.*kx_1*R1/(2*k);f2=kx_11.*kx_11*R1/(2*k);t1_1=sqrt(1/(pi*k*R1)).*(-(k*D1/2)-kx_1*R1);t2_1=sqrt(1/(pi*k*R1)).*((k*D1/2)-kx_1*R1);t1_11=sqrt(1/(pi*k*R1)).*(-(k*D1/2)-kx_11*R1);t2_11=sqrt(1/(pi*k*R1)).*((k*D1/2)-kx_11*R1);FF=exp(j.*f1).*F(t1_1,t2_1)+exp(j.*f2).*F(t1_11,t2_11); FH=j.*(b/8).*sqrt((k*R1/pi)).*((1+cos(theta1)).*FF); FH1=abs(FH);FH1=FH1./max(FH1);FHdB=20*log10(FH1);figure(1)plot(theta,FHdB);grid ontitle('角锥喇叭H里目标图')xlabel('Angle(\theta)/\ circ')ylabel('Gain(\theta)')所用子函数F：%%F(t1,t2)=[C(t2)-C(t1)]-j[S(t2)-S(t1)] function y=F(t1,t2)C2=mfun('FresnelC',t2);C1=mfun('FresnelC',t1);S2=mfun('FresnelS',t2);S1=mfun('FresnelS',t1);y=(C2-C1)-j.*(S2-S1);end。
喇叭天线CAD6
(6-1)
3
天线 CAD
西安电子科技大学（尹应增） 2006 年秋
若考虑到损耗要小，b 应当小；但若考虑到传输功率要大，b 又应当大。综 合考虑抑制高次模、损耗小和传播功率大等因素，矩形波导截面尺寸—般选择：
(6-2) 波导尺寸确定后，其工作频率范围便可确定。为使损耗不大，并不出现高次 模，其工作波长范围取：
图613narda微波公司的x波段标准增益喇叭天线天线cad西安电子科技大学尹应增20062113圆形波导辐射器圆形波导辐射器如图615所示为圆波导半径圆形波导通常传输主模h11开口面上的口径场可以写利用口径场积分可以求出圆形波导辐射器的远区场表达式
天线 CAD
西安电子科技大学（尹应增） 2006 年秋
综上所述，矩形波导辐射器的设计就是依据给定的工作频率 f ，选取波导 尺寸，然后根据上面的公式就可以计算出远区辐射场的方向图，并进一步计算出 其增益。其次，从这一过程看到，口径天线的基本分析过程就是先确定口径场， 然后再计算远场。最后，通常情况下，可以将具有矩形口径的平面阵列天线作为 矩形口径天线来等效。只是在估算增益时，其口径效率按 50%计算即可。
矩形口径的方向性系数 D 可以表示为：
(6-6b)
(6-7) 其中 ei = 8 / π 2 =0.81，称为口径效率；A 为口径面积。在面天线中，通常将方 向性系数就认为是天线的增益。
图 6-4 中给出了矩形波导辐射器的 H 平面和 E 平面功率方向图。图中实线 表示开口处反射系数为零时的计算值，虚线表示计入反射系数时的计算值，小圆 图表示测量值。波导尺寸 a = 0.71λ ， b = 0.32λ 。从图可见在θ 角度不大的范围 内，两条理论曲线和测量结果相当符合。θ 很大时，理论计算和测量结果相差较 大。这主要是由于计算方法或数值模型的误差造成的，足以可以在工程上应用。
双极化喇叭天线优秀课件
令频率低端的截止频率为1900MHZ 截止波长为157.9mm 从而求得 a=33.24mm我们取a=34mm。由於四脊波导是 方形的，故b=34mm
四脊波导参数选择
由於激励点选在波导的中心，并且还加有一段直波 导作为滤除激励出来的TE20模，因此双脊波导的可 用带宽应是TE10模与TE30模之比。由图可查的TE30 模的λc30/a=0.79，从而算的Fc10=11.2GHZ.
2-18GHZ双极化喇叭天 线
天线介绍：
天线有两个输入端，具有瞬时提供垂直极化，水平极 化的能力。适用于机载、舰载无源探测系统。还适用 于实验室设备和外场检测设备。
工作频段：2-18GHz
驻波：3.5
增益： 〉6dB
隔离 〉 15dB
功率处理能力：1W 尺寸：
140×140×345mm
重量：0.8kg
四脊喇叭天线驻波特性
（1端口）
四脊喇叭天线驻波特性
（2端口）
端口间的隔离特性
1端口辐射图(1)
1端口辐射图(2)
1端口辐射图(3)
1端口辐射图(4)
1端口辐射图(5)
2端口辐射图(1)
2端口辐射图(2)
2端口辐射图(3)
2端口辐射图(4)
精品课件！
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双极化喇叭天线的最新发展
计算结果表明该组数ຫໍສະໝຸດ 只能工作到12GHZ左右，要 想工作到18GHZ必须采用扩频技术和补偿技术。
四脊波导参数选择
还应该指出的是这组数据对应脊为平顶的情况， 而实际的脊是削成尖顶的，这只要是为了保证 四脊之间的装配间隙，从而扩大了脊间的耦合 面积。
0.8~2.5 GHz 双极化四脊圆锥喇叭天线设计
0.8~2.5 GHz 双极化四脊圆锥喇叭天线设计
0 引言
喇叭天线由于其多功能性、简单性和好的辐射性能，在微波测量、雷达和探测系统中有广泛的应用。
展宽喇叭天线工作频带，最直接的方法就是在喇叭的波导和喇叭张开部分加入脊结构。
脊喇叭天线增益高，阻抗低，体积小，易于和传输线连接，适合用在雷达、电子对抗设备以及微波电子器件中。
喇叭天线作为馈源组阵时，圆锥喇叭可以节省空间，便于控制阵元间距而抑制栅瓣。
近来对加脊喇叭天线分析的文章很多，但是在具体的设计方面分析的很少。
本文对设计四脊圆锥喇叭天线的关键参数进行了分析以及仿真优化。
加脊的喇叭天线极大地满足了在宽频带天线领域的应用。
1 天线设计及优化
1.1 天线的设计
脊喇叭天线是在喇叭天线的基础上，通过改变天线的结构来提升辐射性能。
该喇叭天线作为馈源组阵，所以在天线设计过程中应综合考虑喇叭的口径与阵元间距的关系，既要避免溢出损耗，又要保证单元尺寸不要超过最大阵元间距而无法排布。
四脊喇叭可以看成两个对称的双脊喇叭，通过对脊波导理论的分析，根据设计参数指标的要求，设计出满足要求的四脊波导的结构和喇叭内脊曲线的形式，最终完成天线结构的设计。
脊喇叭结构如图1 所示。
喇叭馈电采用同轴线馈电，同轴线的内外径设计保证和50 Ω匹配。
根据同轴线特性阻抗公式：
$1.。
式中：a 为同轴线内导体的直径;b 为外导体的直径;εr 为导体间填充。
天线原理与设计4.3 喇叭天线
H面喇叭
E面喇叭
角锥喇叭
图6―3―1 普通喇叭天线
圆锥喇叭
6－3 喇叭天线
（1）喇叭天线结构
（2）口径场分布
（3）远区场 由6-2-3 and6-2-4 积分得到E面和H面的辐射场
（4）口径天线电参数
角锥喇叭天线结构尺寸与坐标 LH
y
LE
x
a
OH
OE
b
bh z
ah
a、b为波导的宽边和窄边尺寸;ah、bh为相应的口径尺寸。OE、OH分别为E面、H面 的顶点； LE、LH分别为E面和H面长度; LE≠LH时，为楔形角锥喇叭；当LE=LH时， 为尖顶角锥喇叭；当ah=a或LH=∞时，为E面喇叭；当bh=b或LE=∞时，为H面喇叭。 喇叭天线可以作为口径天线来处理。喇叭天线的口径场可近似地由矩形波导至喇叭 结构波导的相应截面的导波场来决定。
叭口径场为：
x
x2 LH
,当x
a2h x时出现xL2最大4相axm2位x2偏移 2，ax2xmxm
平方率的相位分布 ah2 4 LH
y
y2 LE
,当x
bh 2
时出现最大相位偏移，ym
bh2 4 LE
x
y
xs2 LH
ys2 LE
, 最大相位偏移 m
4
ah 2 LH
bh 2 LE
(6 3 2)
Es
Ey
E0
cos xs
ah
e ，H
j
xs2 LH
ys2 LE
第六讲喇叭天线(09)
第六讲：喇叭天线喇叭天线：H面扇形、E面扇形、角锥喇叭喇叭天线可视为张开的波导口。
喇叭的功能是在比波导口更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性。
喇叭天线不算新天线，早在1897年就有人构造过。
为了使导行波的反射最小化，其转换区域，即介于波导的咽喉部位与自由空间的口径之间的喇叭段可制成指数率逐渐锥销。
但实用的喇叭一般都制成直线律张开。
一、H面扇形喇叭天线（一）、几何结构及坐标1D2D b=O一段尺寸为a b⨯的矩形波导口径沿H面渐变，张开形成口经为1D b⨯的喇叭—H面扇形喇叭。
矩形波导的宽边为a，窄边为b，传输10TE 模，假定波导开口面上的场分布和波导内横截面上的场分布相同。
两个渐变壁的交线为Y轴，口径法向为Z轴，Y与Z轴交O点，口径中心为O’点，1OO R H'=-称为面扇形喇叭的长度HHα-面扇形喇叭的半张角(二)、内场1、内场表达式假设喇叭无限长，采用圆柱坐标系(ρα，，y )，喇叭内为空气介质。
设波导传输横电模（TE 模），则内场为：$µµ(,,)(,,)(,,)(,,)(,,)y E y yE y H y H y H y αρραραρααραρρα⎧=⎪⎨=+⎪⎩u v u u v 由于H 面沿Y 向无变化，故场与Y 坐标无关，或说Y 向均匀分布。
(,,)(,)(,,)(,)y y E y E H y H ααρρραραραρα=⎧⎪⎨=⎪⎩ 在圆柱坐标系中，由Maxwell 方程可得关于内场的微分方程222222211()()0zk ρϕρρρρρϕ∂A ∂A ∂A ∂∇A =++∂∂∂∂∇+A =2柱坐标系中z 波动方程 222211()1y y y o yo E E k E Eyj H E j H ραρρρρραωμραωμρ∂∂∂=--∂∂∂∂-=∂∂-=∂ 其中，2200,k k ωεμ=为波数 可见，只需求解出y E 即可，,H H ρα由y E 求得。
圆形口径双模喇叭天线设计
桂林电子科技大学实验报告 2015 -2016 学年第一学期
开课单位海洋信息工程学院
适用年级 13级电子信息工程
课程名称无线传感器网络
主讲教师
课程序号 1510380
课程代码 BT1605010X0
实验名称圆形口径双模喇叭天线设计
实验学时 6
学号 13160304
姓名
圆形口径双模喇叭天线设计
一、实验目的
利用电磁软件Ansoft HFSS设计一款圆形口径双模喇叭天线。
在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。
二、实验原理
圆形口径喇叭天线通常称为圆锥喇叭天线，双模圆锥喇叭通过TE11模和TM11模的适当综合
获取轴对称的等化波束方向图和低的交叉极化电平.由于双模圆锥喇叭具有结构简单的突出优点,对于窄频带的反射面天线系统。
原理图：
仿真图：
实验总结
经过这次实验，让我明白了分析的重要性，还有专业知识的掌握性，我们应该大量学习。
E面和H面方向图等化的双模圆锥喇叭设计
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其相位中心位置可采用解析方法或实验技术来确定 " 但是解析方法一般较烦 !! 喇叭作为反射面天线的馈源 " # $ # $ 多采用实验技术 7 来确定天线的相位中心 % 因为圆锥喇叭结构具有对称 琐" 且只有少数的结构有解析公式 6 " 性" 所以其相位中心就在其轴线上虚顶点与口面中心之间的某处 % 在实验之前先对喇叭进行电磁仿真 " 初步确 即轴线上相位 定其相位中心的位置 " 再根 据 实 验 的 测 试 数 据 进 一 步 确定其相心的位置 % 相心位置用 & 表示 " 中心到喇叭口面中心的距离 " 如图 % 所示 % !! 双模圆锥喇叭的远区辐射场为 ! ! 9)# / , > # !% / , > %9 # !)# # ’ ’ ’ # ? * #4 > " 0 !’ 8, : 8 ? 9, : < , : < ? 9& 9 9& 9& 9 9 9 ’ " 0 9 + ! (> ) 9 9 " 9)# % ! ! ’ $ # ! & * # > " 0 # ! 9 / , > %9 4 9 8 , : 8 * # > " 0 # ) # # ! % . ! # 4 9
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1.3 圆锥喇叭 圆锥喇叭一般采用圆波导馈电，描述圆锥喇叭的尺寸有口径直径D，喇叭 长度R。圆锥喇叭的口径场的振幅分布与圆波导中的TE11相同，但是相位按平 方律沿半径方向变化。 下图计算了不同轴向长度圆锥喇叭的方向系数与口径直径的关系。从中可 以看出，圆锥喇叭仍然存在着最佳尺寸。与矩形喇叭类似，当轴向长度一定 时，增大口径尺寸的效果将以增大口径面积为优势逐渐地转向以平方相位偏移 为优势。
HFSS仿真流 程
建立喇叭模型 创建波端口，设置端口 激励。 求解设置，求解 工程。查看结 果。
1
3
Re Fa Mi
5
2016
Do
So
2
创建辐射边界。
4
辐射场角度设置。
仿真结果展示
回波损耗 S_11：
由S_11知，天线工作在 5.14Ghz-5.38GHZ范围内 S_11 小于-25db。中心工 作频率为5.30Ghz。
喇叭天线由逐渐张开的波导构成。如图所示，逐渐张开的过渡段既可以保 证波导与空间的良好匹配，又可以获得较大的口径尺寸，以加强辐射的方向 性。喇叭天线根据口径的形状可分为矩形喇叭天线和圆形喇叭天线等。图 （a）保持了矩形波导的窄边尺寸不变，逐渐展开宽边而得到H面扇形喇叭；图 （b）保持了矩形波导的宽边尺寸不变，逐渐展开宽边而得到E面扇形喇叭；图 （c）为矩形波导的宽边与窄边同时展开而得到角锥喇叭；图（d）为圆波导逐 渐展开形成的圆锥喇叭。
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1.2 喇叭天线 在微波波段，采用各种波导传输电磁波能量。常用的波导是矩形和圆形波 导。将波导终端开口构成波导辐射器。为了改善方向性，压窄方向图和获得较 高的增益，需要增大波导辐射器的口径面积。将波导终端做成逐渐张开的形 状，这就是喇叭天线。 喇叭天线是最广泛使用的微波天线之一。喇叭天线除了大量用做反射面天 线的馈源以外，也是相控阵天线的常用单元天线，还可以用做对其他高增益天 线进行校准和增益测试的通用标准。它的优点是具有结构简单，馈电简便，频 带较宽，功率容量大和高增益的整体性能。
姓名
职务
由于引入了适当的高次模， 使口径场在两个面内的分布 规律近似相等。在水平角 ψ=0,90时，E面和H面的波瓣 基本重合。最大辐射方向出 现在俯仰角θ=0处（正Z方 向），此时左手圆极化增益 约为11.757dB。
远场增益 图：
姓名
职务
对辐射段大圆 波导半径B参数 扫描：
VSWR
姓名
职务
扫描后结果接近。
隔页
1
相关 内容
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设计 要求
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模型 参数
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HFSS 仿真
5
结果 展示
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记录 总结
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终页
8
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1.1 天线 天线是任何无线电通信系统都离不开的重要前段器件。尽管设备的任务并 不相同，但天线在其中所起的作用基本上是相同的。天线的任务是将发射机输 出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或将空间电波信号转换成 高频电流能量送给接收机。为了能良好地实现上述目的，要求天线具有一定的 方向特性，较高的转换效率，能满足系统正常工作的频带宽度。天线作为无线 电系统中不可缺少且非常重要的部件，其本身的质量直接影响着无线电系统的 整体性能。
S_11
课程设计最后总结
综上可知，我们所设计的双模圆锥喇叭天线是实现了馈源高效率，辐射 高效率的目的。通过HFSS对天线仿真，结果表明，设计制作的天线各项指标 均符合设计要求。 通过小组成员间的配合，我们完成了本次课程设计，并且对HFSS软件的 运用操作更加熟练，从中学到了不少。
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
姓名
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姓名
职务
驻波比 VSWR:
5.3Ghz时驻波比为1.0846 驻波比接近于1:1，此双模 圆锥喇叭天线模型中天线 与馈线比较匹配。天线能 获得较大的辐射功率
姓名
职务
姓名
职务
天线方向 图：
由方向图可以看到：E面及H 面的相位特性基本相同，从 而获得等化和低副瓣的方向 图，提高了天线口径的面积 利用系数,使之成为反射面天 线的高效率馈源。
双模圆锥天线的设计
设计内容： 利用HFSS软件设计了一个双模工作的圆锥喇叭天线， 此天线中心频率为5.3Ghz，天线输入端电压驻波比基本小 于2dB，回波损耗小于-25dB,采用圆波导馈电结构，并采用 两个激励模式，两个模式的初始误差为90度，构成圆极 化。
设计所得天线尺寸： 其中： 激励段小圆波导半径 a=21.2852mm 激励段小圆波导半径长度 L=76.2mm 移相段喇叭轴向长度 h=82.1944mm 辐射段大圆波导半径 B=39.2938mm 辐射段轴向长度 K=31.1658mm 喇叭壁的半径 T=41.8338mm
D
•最佳圆锥喇叭的 主瓣宽度与方向系 数可以由以下公式 近似计算：
R
在增益最大值(图中虚线)处 ，可归纳出R与D的近似关 系ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 0.15 R 2D .4
2 op
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1.3.1 多模喇叭 主模喇叭E面的主瓣宽度比H面窄，E面的副瓣高，E面的相位特性和H面的 相位特性又很不相同。因此用主模喇叭作为反射面天线的馈源，使天线的效率 提高受到限制。为了提高天线口径的面积利用系数，就必须设法给主反射器提 供等幅同相且轴向对称的方向图，即所谓的等化方向图。多模喇叭就是应此要 求而设计的，它利用不连续截面激励起的数个幅度及相位来配置适当的高次 模，使喇叭口径面上合成的E面及H面的相位特性基本相同，从而获得等化和低 副瓣的方向图，使之成为反射面天线的高效率馈源。