双模圆锥喇叭天线的设计
圆锥喇叭天线关键制造技术
图4中板定位孔与外形一次成型
4）喇叭微细特征表面质量。 采用高速铳设备，通过控制切削量及走刀速度 保证波导腔内侧壁光洁度，同时配合在40倍放大镜
《新技术新工艺》工艺与材料
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新技术新工艺 2021 年 第6 期
下去毛刺’ 3.2真空焊接质量保证
1) 焊缝强度：主要取决于焊片牌号的选择。 该圆锥喇叭天线采用3A21铝合金板料加工而 成。该材料耐腐蚀且焊接性能良好，目前针对该材 料最好的焊料材料是Al-Si-Mg焊料。 此焊料需具有如下特性：a.焊料成分稳定性好, 在真空焊接升温及保温过程中能够保证状态稳定* b.焊料的熔点与母材的液相线温度有合理的梯度, 在焊接过程中容易发生反应扩散焊接；c.焊料在液 体状态时能够具有较好的浸润性，能在真空环境中 充分渗透填充母材曰。 通过该类常用低温焊片的试验对比，该圆锥喇 叭天线选择使用牌号为Al-11. 7Si-1. 5Mg的焊片材 料。 2) 焊缝漫溢：在装炉数量及炉温等参数固定的 前提下，焊片漫溢多基于焊片厚度的选择。 常规真空焊片一般使用0.15 mm厚度的焊片, 但由于该圆锥喇叭天线频段较高 ，对焊接质量的要 求也比较高，要求焊片溶化后浸润均匀，焊液流淌遍 布均匀，没有局部虚焊漏焊情况。通过几种常用厚 度规格的焊片焊接，焊接前后三层板厚度变化分析， 焊片厚度0. 1〜0. 12 mm的各性能对比比较理想， 因此最终选用厚度0. 1〜0. 12 mm的焊片进行该圆 锥喇叭天线的真空焊接。 真空焊接预装时控制装配厚度尺寸公差，三层 厚度累加理论值公差控制在0.05 mm以内，预装后 上下层平面度控制在0. 03 mm以内。 3) 喇叭圆锥度。 对于在真空焊前喇叭内圆已加工到位，后期将 不再加工喇叭内锥孔的情况，为了保证焊后喇叭内 孔的圆度要求，在真空焊接时应考虑焊片的厚度补 偿问题。 焊片厚度可以通过3种方法进行补偿：1)在上 下层板加工时波导腔表面抬高补偿；2)把补偿量集 中放置在中层板的厚度上面 ；3)在焊接前加工内喇 叭孔时用焊片替代垫片来进行焊片的厚度补偿。第 3种方式相对简便易行，成本低廉。 4) 加热、降温过程温度均衡变化控制。 外形减轻腔设计一般要求规则均匀，以便于后 续均匀加压，以及各热电偶的位置放置；加热、保温 及降温各阶段焊接时间曲线应根据材料种类、装炉 量、工件壁厚、结构复杂度、温度均匀性等多方面影 响进行综合考虑设置。
[信息与通信]双锥天线
![[信息与通信]双锥天线](https://img.taocdn.com/s3/m/99fe995231b765ce0408141f.png)
第二章 双锥天线可以用简单的办法扩展电偶极子天线的带宽，其一是增加电偶极子的导线直径，其二是进一步扩展这一思路，用直径渐变的导线去替代电偶极子的辐射体，形成双锥结构，即本章研究的双锥天线，能大大扩展天线带宽。
首先研究理想化的双圆锥天线，然后讨论几种实用的变形天线。
2．1 无限长双圆锥天线一金属导线与z 轴之夹角为θh ， 绕z 轴旋转一周形成图1所示的无限 长金属双圆锥。
两个顶点之间的间距h 为无限小，在顶点处双圆锥互相绝 缘。
用射频信号源接于两顶点之间， 在金属圆锥面上产生电流，并向空间 辐射电磁波。
图1所示结构即无限长双圆锥天线。
分析表明，该结构可以看成是无限长圆锥传输线， 图1. 无限长双圆锥天线传输的主模是TEM 球面波。
空间中仅存在H φ和E θ两个场分量。
由E j H ωε=⨯∇可得(提示：])([ˆ)](sin 1[ˆ])sin ([sin ˆθφφθθφθθθθφθφ∂∂-∂∂+∂∂-∂∂+∂∂-∂∂=⨯∇r rF rF r r rF r F r F F r r F ）0)sin (sin 1==∂∂r E j H r ωεθθθφ (2.1)θφωεE j rH rr =∂∂-)(1 (2.2) 由式（2.1）看到θφsin 1∝H (2.3)根据无限长圆锥结构，把磁场写成如下形式rjkr H H )exp(sin 40-=θπφ (2.4)把式(2.4)代入式(2.2)得到r jkr H jkr r H r jE )exp(sin 4)exp(sin 400-=-∂∂=θπηθπωεθ (2.5)式(2.5)就是φθηH E =，满足TEM 波的要求。
场分量随θ的变化为θsin 1，归一化辐射方向图为θθθsin sin )(hF =， h θ<θ<h θπ- (2.6) 方向图如图2所示。
为了求解天线输入阻抗，首先必须确 定端电压和端电流。
参见图1，电压 等于E θ沿着r =常数的路径积分，)2ln(cot )exp(2sin 1)exp(4)(00h jkr H d jkr H rd E r V hhh hθπηθθπηθθπθθπθθ-=-==⎰⎰-- )cot csc ln csc (c x x xdx ++-=⎰ (2.7)磁场H φ在导体表面的边界条件为φH J s =，锥面上总电流为)exp(2sin 2sin )(200jkr H rH d r H r I -===⎰πφφθπφθ (2.8) 由式(2.7)和式(2.8)得到任意r 处的圆锥传输线特性阻抗为))2ln(cot()()(0h r I r V Z θπη==(2.9)可以看到Z0与径向坐标r无关，因此，也是馈电点的阻抗，即天线输入阻抗。
基于HFSS的圆锥喇叭天线设计
本科生科研训练结题报告——基于HFSS的圆锥喇叭天线设计学院（系）：电子工程与光电技术学院姓名、学号：郝晓辉**********席家祯1104330126白剑斌1104330105指导老师：***摘要天线是对任何无线电通信系统都很重要的器件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。
天线可分为简单线天线，行波天线，非频变天线，缝隙天线与微带天线，面天线和智能天线等。
圆锥喇叭天线属于面天线。
本文首先介绍了天线的基础知识和基本参数，其中着重介绍了喇叭天线及其设计,接着介绍了网络S参数及软件HFSS。
在此基础上，进行了圆锥喇叭天线的设计，最后在软件HFSS中进行了仿真。
本文对圆锥喇叭天线的设计提供了一定的参考作用。
关键词：圆锥喇叭天线；仿真AbstractAntenna is an important part in any radio communication systems.The quality of antenna can affect the performance of whole systems.Antenna can be divided into simple Wire Antenna，Traveling-Wave Antenna，Frequence-Independent Antenna，Slot Antenna and Microstrip Antenna，Aperture Antenna，Smart Antenna and so on.Cone horn antenna is one of the Aperture Antenna.In this paper,basic knowledge and basic parameters of antenna are presentedfirstly ,especially the horn antenna and its design be emphasized.Then S-parameter and HFSS software are briefly introduced. In the base of above ,the cone horn antenna is designed.At last ,the antenna is simulated in HFSS.This paper provides the reference to cone horn antenna.Keywords：conic horn antenna;simulation目录第1章概述 (5)1.1 天线的应用背景 (5)1.1.1天线的发展与应用 (5)1.1.2喇叭天线的发展和应用 (6)1.2天线的基础知识 (6)1.2.1天线的原理 (6)1.2.2天线的辐射 (7)1.2.3方向系数 (8)1.2.4天线效率 (9)1.2.5增益系数 (10)1.2.6输入阻抗 (10)1.2.7微波网络S参数 (11)1.3喇叭天线基础知识 (13)1.3.1喇叭天线参数 (14)1.3.2给定增益设计喇叭 (15)1.3.3根据参数要求计算尺寸参数 (17)第二章 HFSS仿真喇叭天线 (18)2.1 HFSS简介 (18)2.2 圆锥喇叭天线的仿真 (18)2.2.1仿真步骤 (18)2.2.2仿真结果分析 (24)第三章结论与展望 (25)引言天线是一种换能器，它将传输线上传播的导行波，变换为在无界媒质（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。
一种新型微带馈电的圆锥喇叭天线设计
一种新型微带馈电的圆锥喇叭天线设计张文辉;李萍;安合志;王蕾蕾【摘要】设计了一种微带馈电双极化喇叭天线.该喇叭天线的辐射层中心为一圆锥喇叭孔的金属波导材料,通过双层正交的三角形带状线馈电结构来实现双极化,最下层加入金属反射腔来抑制背向辐射,提高天线增益.利用HFSS电磁仿真软件对天线进行优化仿真,仿真结果表明,该喇叭天线在Ku波段上行(14.0～14.5 GHz)和下行(12.25～12.75 GHz)的反射系数VSWR均＜2,两个端口的增益均＞8 dB.该喇叭天线体积小,增益高,采用微带馈电的形式,适合作为Ku波段卫星地面通信系统的天线单元.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2013(026)003【总页数】4页(P1-4)【关键词】喇叭天线;微带馈电;双极化【作者】张文辉;李萍;安合志;王蕾蕾【作者单位】武警工程大学研究生大队,陕西西安710086【正文语种】中文【中图分类】TN821+.3卫星地面通信系统天线一般采用抛物面天线，而抛物面天线由于采用刚性板块，因而具有重量大、成本高、机动灵活性差的缺点。
文献［1］提出用一种Ku波段的微带阵列天线代替抛物面天线，但微带天线单元由于工艺限制，增益较低、损耗较大。
喇叭天线由于具有较大的增益和良好的方向性而得到了广泛的应用。
然而，传统的喇叭天线体积庞大，结构复杂，而且采用波导馈电的形式，使得传统的喇叭天线难以组阵。
近年来，一些喇叭天线采用微带馈电的方式［2－4］，使得喇叭天线便于组阵。
文中提出了一种新型微带馈电喇叭天线，以辐射层为中心的波导喇叭孔的金属波导，通过双层正交微带馈电实现双极化，最下层为金属反射腔，用来提高喇叭天线的增益。
利用HFSS软件仿真得到该双极化喇叭天线两个端口的天线增益＞8 dB，在Ku波段上行(14.0～14.5 GHz)和下行(12.25～12.75 GHz)的反射系数VSWR均＜2，因此相对于传统的微带天线，更适合作为卫星地面通信系统的天线单元。
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。
基于HFSS的圆锥喇叭天线设计说明
本科生科研训练结题报告——基于HFSS的圆锥喇叭天线设计学院（系）：电子工程与光电技术学院、学号：郝晓辉 1104330111席家祯 1104330126白剑斌 1104330105指导老师：钱嵩松摘要天线是对任何无线电通信系统都很重要的器件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。
天线可分为简单线天线，行波天线，非频变天线，缝隙天线与微带天线，面天线和智能天线等。
圆锥喇叭天线属于面天线。
本文首先介绍了天线的基础知识和基本参数，其中着重介绍了喇叭天线及其设计,接着介绍了网络S参数及软件HFSS。
在此基础上，进行了圆锥喇叭天线的设计，最后在软件HFSS中进行了仿真。
本文对圆锥喇叭天线的设计提供了一定的参考作用。
关键词：圆锥喇叭天线；仿真AbstractAntenna is an important part in any radio communication systems.The quality of antenna can affect the performance of whole systems.Antenna can be divided into simple Wire Antenna，Traveling-Wave Antenna，Frequence-Independent Antenna，Slot Antenna and Microstrip Antenna，Aperture Antenna，Smart Antenna and so on.Cone horn antenna is one of the Aperture Antenna.In this paper,basic knowledge and basic parameters of antenna are presented firstly ,especially the horn antenna and its design be emphasized.Then S-parameter and HFSS software are briefly introduced. In the base of above ,the cone horn antenna is designed.At last ,the antenna is simulated in HFSS.This paper provides the reference to cone horn antenna.Keywords：conic horn antenna;simulation目录第1章概述 (5)1.1 天线的应用背景 (5)1.1.1天线的发展与应用 (5)1.1.2喇叭天线的发展和应用 (6)1.2天线的基础知识 (6)1.2.1天线的原理 (7)1.2.2天线的辐射 (7)1.2.3方向系数 (9)1.2.4天线效率 (9)1.2.5增益系数 (10)1.2.6输入阻抗 (10)1.2.7微波网络S参数 (11)1.3喇叭天线基础知识 (14)1.3.1喇叭天线参数 (14)1.3.2给定增益设计喇叭 (16)1.3.3根据参数要求计算尺寸参数 (17)第二章 HFSS仿真喇叭天线 (17)2.1 HFSS简介 (17)2.2 圆锥喇叭天线的仿真 (18)2.2.1仿真步骤 (18)2.2.2仿真结果分析 (23)第三章结论与展望 (24)引言天线是一种换能器，它将传输线上传播的导行波，变换为在无界媒质（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。
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
双模圆锥喇叭天线的设计
相关内容的学习准备
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。
多模喇叭就是应此要求而设计的它利用丌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
隔页
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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
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结果 展示
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记录 总结
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终页
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相关内容的学习准备
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。
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
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2016
Do
So
2
创建辐射边界。
4
实验六-双模圆锥喇叭天线的设计与仿真.docx
实验六 双模圆锥喇叭天线的设计与仿真一、实验目的1.设计一个双模圆锥喇叭天线2.查看并分析该双模圆锥喇叭天线的收敛结果、远场方向图及喇叭轴比曲线、喇叭驻波比信息二、实验设备装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理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。
从图中可以看出,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。
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：在增益最大值(图中虚线)处,可归纳出R 与D 的近似关系λλ15.04.22-=DRop喇叭天线通过馈电段向移相段输入电磁场,通过波模的激励、传输和控制到达喇叭口面形成口面场,由口面场向空间辐射,在辐射区干涉叠加,形成了辐射场在空间的分布幅度方向图和相位方向图,并得到各项辐射性能。
在双模圆锥喇叭中,使用主模TM11和另一个高次模TE11,主模圆波导的模在台阶处激发若干高次模,选择尺寸α、A 、台阶比ρ = α /A ,使之能传输TM11和TE11模,其余可能激起的高次模被截止。
喇叭作为反射面天线的馈源,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琐,且只有少数的结构有解析公式,多采用实验技术来确定天线的相位中心。
因为圆锥喇叭结构具有对称性,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Q 表示,即轴线上相位中心到喇叭口面中心的距离,如下图所示。
双模圆锥喇叭的远区辐射场为：()}]sin 83.3[1)84.1()83.3(84.1cos 1cos 1{sin sin 21cos 1sin 21'111111111111θθλλθθθλθλφλλλλθA J J M A A J E k kk gH gE gH gH -+++++=200'11111)84.1sin (1)sin (21cos cos θθλλλλθφφkA kA J E gH gH -•++=四、实验内容设计一个双模圆锥喇叭天线,其指标要求如下： 中心频率为：5GHz ；0.50.522() 1.222() 1.050.5()H m E m m rad d rad d dD λθλθπλ⎫=⎪⎪⎪=⎬⎪⎪=⎪⎭采用圆波导喇叭馈电结构,并使用两个激励模式,该两个模式的初始误差为90°,构成圆极化。
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
基于HFSS的圆锥喇叭天线设计综述
结果优化
仿真结果分析
• 工作频段附近S11小于-25dB，满足要求。 • 最大辐射方向上增益大于20dB。 • 驻波比接近于1:1，说明天线能获得较大的辐射功率。
谢谢
基于HFSS的圆锥喇叭天线设计
学院（系）：电子工程与光电技术学院 姓名、学号：郝晓辉 1104330111 席家祯 1104330126 白剑斌 1104
发射机
馈线 馈线
接收机
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，就是喇叭天线。
给定增益设计喇叭
• 该表中同时列出了以S作为 参变数的圆锥喇叭渐变振幅 和相位误差损失值。利用此 表容易求得已知喇叭参数的 增益，或已知（给定）增益 设计喇叭天线。
• 增益与口径直径关系式
其中GF为误差损失值
GF ATL PEL
ATL为幅度渐变效率 PEL为相位误差效率
我们能够获得已知增益使斜径最短的最 佳圆锥喇叭。 对于一定的斜径，当我们画出增益随口 径半径变化的曲线时，会发现使增益最 大的口径半径值不是一个固定值，而是 一个较宽的范围。 用增益为纵坐标，给出一组这样的曲线， 由图可以看出，过增益最大值可以搭出 一条对应于S=0.39的线。 这就是GF=2.85dB(ATL+PEL)的最佳喇叭。
圆锥喇叭天线的仿真
仿真步骤：
1．建立新的工程 2．设置求解类型 3．设置模型单位 4．设置模型的默认材料 5．创建喇叭模型 6．创建辐射边界 7．创建波端口 8．辐射场角度设置 9．求解设置 10．保存工程 11．查看求解收敛结果 12．后处理操作
仿真结果
远场增益
驻波比
工作频率附近S参数
喇叭天线的设计范文
喇叭天线的设计范文喇叭天线是一种用于无线通信系统的天线，主要用于传输声音信号。
其设计需考虑频率范围、辐射方向性、增益、天线尺寸、材料选择等因素。
下面将详细介绍喇叭天线的设计。
首先，在设计喇叭天线之前，需要明确所需频率范围。
不同频率范围的无线通信系统使用不同的天线来进行信号传输。
喇叭天线主要应用于低频或中频通信系统，例如来电铃声、广播等。
其次，考虑天线辐射方向性。
喇叭天线的主要目标是将声音信号以无线电波形式传输出去，需要具备较好的方向性，即在一定范围内辐射出强的信号，而在其他方向上辐射较弱的信号。
可以通过合理设计天线结构和喇叭形状来实现辐射方向性的控制。
第三，考虑喇叭天线的增益。
增益是指天线辐射能力的强弱程度，通常以分贝（dB）为单位。
增益决定了喇叭天线的信号传输距离和接收灵敏度。
喇叭天线的增益主要取决于天线结构和天线尺寸。
较大的天线尺寸和较复杂的天线结构通常能够提供较高的增益。
第四，考虑喇叭天线的天线尺寸。
天线尺寸决定了喇叭天线的方便程度和易用性。
尺寸过大或过小都会影响天线的性能。
因此，在设计喇叭天线时需要仔细考虑其尺寸，以保证既能够满足通信系统的需求，又方便使用和安装。
第五，选择合适的材料。
天线的材料选择对其性能和使用寿命有重要影响。
一般来说，天线材料应具备一定的导电性能和抗氧化能力，同时应能够耐受外界环境的各种因素，如高温、高湿度等。
常见的天线材料有铜、铁、铝等金属材料。
最后，进行具体的天线参数计算和仿真。
在设计喇叭天线时，需要利用天线设计软件进行参数计算和仿真。
例如，可以利用仿真软件进行天线的方向性和增益仿真，优化天线结构和尺寸。
综上所述，喇叭天线的设计主要考虑频率范围、辐射方向性、增益、天线尺寸和材料选择等因素。
在进行喇叭天线设计时，需要明确通信系统的需求，并进行合理的参数计算和仿真，以最大程度地满足通信需求。
喇叭天线的设计是一个综合考虑多个因素的复杂过程，需要进行充分的研究和实践。
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。
双锥天线beta1
用简单的办法扩展电偶极子天线的带 宽，其一是增加电偶极子的导线直径， 其二是进一步扩展这一思路，用直径 渐变的导线去替代电偶极子的辐射体， 形成双锥结构，即本组研究的双锥天 线，能大大扩展天线带宽。首先研究 理想化的双圆锥天线，然后讨论几种 实用的变形天线。
无限长双锥天线
有限长双锥天线
盘锥天线
无限长双锥天线
H 21.3cm 0.71 , B 19.3cm 0.64 ,
h arcsin[(B / 2) / H ] 27
从图中可以看到其带宽达3：1。在低频段，无线尺 寸相对于波长较小，其方向图与短振子天线相差不 大（见图3-17a）。随着频率的增加，导电圆盘的电 尺寸增大，辐射被较多的限制在下半空间（见图317b）。当频率再增大，天线的性能便接近无限长双 锥的性能。例如，当频率是1500MHz，方向图（图 3-17c）非常接近于图1中无限长双锥之一对辐射的 贡献。 导电圆盘的尺寸对方向图的影响很大：尺寸太大，将使 上半空间的场强减弱，这与圆盘上的单极子天线类似； 尺寸太小，趋向于破坏天线的宽频带特性。
盘与锥之间的距离δ 对方向图无显著影响，可以依据 频率而定。
分析表明，该结构可以看成是无限长圆锥传输线， 传输的主模是TEM球面波。空间中仅存在Hφ和Eθ 两个场分量。由 H jE 可得
1 ( H sin ) jE r 0 r sin
1 (rH ) jE r r
(2)
(1)
由式（1）看到
设法增大上图中的半顶角 h ，可望降低输入阻抗 的电抗部分，并且会使带宽增加。同时使得输入阻 抗的实部对于频率的变化不敏感。
对天线设计者来说，锥体的终端是如何设计是 富于挑战性的。一种办法就是使得它的长度相 对于工作波长相对长，D.McNamara和他的同 时发现直径为一个波长、 h 60 的双锥在6:1 的宽带范围内有良好的匹配。结构如图：
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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
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结果 展示
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记录 总结
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终页
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相关内容的学习准备
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。
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： 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。
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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。
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
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
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2016Doຫໍສະໝຸດ So2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。
姓名
职务
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。
相关内容的学习准备
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。
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。
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。