horn antenna 喇叭天线

图1 角锥天线的结构
假设波导中只是单模传播，即只有波，则角锥喇叭的远区场可以表 示为：
（2-1） （2-2） （2-3）
式中，
（2-4） （2-5）
角锥喇叭的增益可以表示为：
（2-6）
其中，表示角锥喇叭的口径效率，在最佳增益设计时，该值约为 0.5。 在设计最佳角锥喇叭时，其、值如下：
（2-7） （2-8）
二、滤波器设计过程
这次课程设计中由所示的实物图可初步判断该物体是一个矩形口径 角锥喇叭天线，故该课题以波导输入型矩形口径角锥喇叭天线来进行设 计和优化。 进一步判断可知该物体是一个用了标准矩形波导管WR-42的波导输入型 矩形口径角锥喇叭天线。由于的喇叭天线频段在17.6GHz—26.7GHz， 中心频率为22GHz左右。 1、标准增益喇叭天线的理论基础 我们要设计的是标准增益喇叭天线，它是尖角锥天线。角锥天线的 结构如图1所示。角锥天线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。矩形波导尺寸为，喇叭口径尺寸为，其E面（YZ 面）内虚顶点到口径中点的距离为，H面（XZ面）内虚顶点到口径中点 的距离为。
喇叭天线的优化设计
一、课程设计背景简述
本次的Mini Peoject的的任务是根据所给天线的照片，设计一个图片 中的天线，并根据标准增益的喇叭天线参数进行优化。这次的project是 一次逆向工程，逆向工程是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标 产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结 构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全 一样的产品。逆向工程被广泛地应用到新产品开发和产品改型设计、产 品仿制、质量分析检测等领域，它可以缩短产品的设计、开发周期，加 快产品的更新换代速度；降低企业开发新产品的成本与风险；以及加快 产品的造型和系列化的设计。 喇叭天线是使用最广泛的一类微波天线，它常用于大型射电望远 镜、卫星地面站的反射面天线、微波中继通讯用的反射面天线的馈源和 相控阵的单元天线,在天线测量中，标准增益喇叭天线常用作对其它高 增益天线进行校准和增益测试的通用标准等。标准增益喇叭天线的增益 定标值的准确性决定了被测天线增益测量的准确度。 喇叭天线矩形波导馈电的喇叭根据扩展的形式不同可分为三种，即 E面扇形喇叭(扩展波导的窄边即E面而形成)；H面扇形喇叭(扩展波导的 宽边即H面而形成)；角锥喇叭(将波导的宽边、窄边同时扩展而形成)。
图5 直角坐标系下的面和面增益方向图
极坐标系下面和面增益方向图如图6所示：
图6 极坐标系下的面和面增益方向图
三维增益方向图如图7所示：
图7 三维增益方向图
并且天线的回波损耗扫频结果如图8所示：
图8 回波损耗扫频结果
在22 GHz时，参数在15dB以下，天线的增益为15.2，基本满足要求 我还仿真了频段17.6GHz—26.7GHz内的五个频点的增益，结果如表2 所示： 表2 频率 18 20 22 24 26 （GHz） 增益 （dB） 13.8 14.7 15.2 15.4 15.8
计算出这些数据后我们进行后我接下来进行HFSS的仿真 3、喇叭天线建模仿真及优化 在HFSS设计中求解类型设置为Driven Modal，模型长度单位设置为 mm。将计算出的天线在HFSS中建模之后的结构如图2所示。
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图2 喇叭天线结构
建立好喇叭模型后，设置喇叭天线的激励和辐射边界。喇叭天线的 激励有同轴线馈电和波导馈电。根据题目天线图我选择的是输入波导型 的类型。HFSS中的端口激励有三种，我将激励设计为波端口激励 （Wave Port），其激励设计如图3所示。
（2-12）可得=19.162mm。
变量定义以及设计的喇叭天线的具体初始尺寸如表1所示： 表1 角锥喇叭天线尺寸和变量定义 结构名称 0.25波长 波导宽度 波导高度 喇叭结 构参数 波导长度 喇叭口径宽度 喇叭口径高度 喇叭长度 变量名 length a b wlength a1 b1 plength 变量值（单位： mm） 3.409 10.668 4.318 5*length 33.033 26.967 18.059
图3 端口激励
接着设置辐射边界，由于Wave Port是一种外部端口，所以在设置激 励时P1端口要与辐射界面平齐，辐射边界的其他面要与天线的距离大 于/4。设置后的图形如图4所示：
图4 辐射边界
在仿真前，要进行求解设置。其中求解频率和扫频设置。设置的求 解频率为22GHz，扫频为17.6GHz—26.7GHz。仿真结束后后，利用 HFSS的数据后处理功能分别查看喇叭天线的以下分析结果--在频率为 22GHz时，面和面上的增益方向图，回波损耗的扫频分析结果。直角坐 标系下面和面增益方向图如图5所示：
化。 经过第二次课程设计后我熟悉了HFSS，为以后的学习打下了基 础。并了解了天线的相关知识，有利于今后对微波无源器件的学习。
在17.6GHz—26.7GHz内喇叭天线的增益在15dB左右，基本满足要求。
三、心得体会
拿到题目后我并不理解题目的意思，仔细读了几遍题目猜了解是让 我们完成一个逆向工程，即在知道要完成的天线大致结构的基础上自己 查找资料设计出一个喇叭天线。 看到题目图片上给的文字“WR-42”，感觉应该是解决问题的关键。 但是我的第一反应这个标号应该是天线的型号，但在百度上查找很多资 料都没找的这个型号的喇叭天线。后来经过室友的启发，它可能代表的 是馈电波导的尺寸。然后经过查找波导型号的资料果然发现“WR-42”是 一种矩形波导的尺寸。 在知道了矩形波导的尺寸后问题就要简单许多了，再根据标准增益 喇叭天线的尺寸计算公式计算出题目所给的标准增益喇叭天线的结构尺 寸。在频段内标准增益喇叭天线的增益为15dB左右来对喇叭天线进行优
根据相似三角形关系，可得：
（2-9） （2-10）
对于实际可以制成的喇叭，必须有：
（2-11）
由上面的式子可以推导出：
（2-12） （2-13） （2-14）
在设计标准增益的角锥喇叭天线时，一般由已知的天线增益和矩形 馈电波导尺寸、，来确定角锥喇叭天线的其余尺寸、、，从而获得在频
带范围内达到增益的设计要求。 在这次的课程设计中使用的馈电矩形波导型号是WR-42，查出WR42的横截面长宽尺寸分别为=10.668mm、=4.318mm。 2、确定喇叭天线的参数 由已知的馈电矩形波导的尺寸和中心频率，先算的传输波的波长 =13.636mm。对于标准增益喇叭天线，需要近似满足，则/=。将=、 G=31.623带入（2-6）式可得=27.642mm，==33.855mm。再将带入