基于HFSS的圆锥喇叭天线设计
基于HFSS的圆锥喇叭天线设计资料ppt课件
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。
无量纲常数S R R2 a2
S a2
2R
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
仿真结果
远场增益
驻波比
工作频率附近S参数
远区辐射场3D极坐标图
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
背景、发展
天线
发射机
（换能器）
接收机
馈线
馈线
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。
天线电参数
• 辐射方向图 • 方向系数 • 天线效率 • 增益 • 阻抗
微波网络S参数
喇叭天线参数
馈电波导可以是矩形或圆形的。图 中w是矩形口径的宽度，a是圆形 口径的半径．R称为斜径，从口径 中心到波导与喇叭接口处的距离是 轴长 L。
喇叭天线参数及பைடு நூலகம்求
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 soon.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。
HFSS仿真角锥天线
二、创建模型
4. Connecting 2D Objects to Create the Funnel
Now you can connect the 2D objects that make up the base and the top of the funnel to create the 3D, funnel-shaped object.
五、察看结果图
Creating a Far field Plot
The far field plot is a 3-D plot of the far-field radiation pattern.
When Traces Window open, MUankdeersuSrwe ereEpistapbic, kmeadke leave the values as set. usnudrerPChaitiesgtoheryp, rriEmary Make sure it is the Last Tsowtaeleupnadnedr Tquhaentatitiys athned Adaptive in the Solution nsoenceonudnadreyrswfuenecptioann.d field and Geometry is CallilcvkaAludeds Taraecceh,etchkeend. InfiniteSphere1. Done.
五、察看结果图
Creating a Far field Plot
The far field plot is a 3-D plot of the far-field radiation pattern.
Right-click Radiation, then choose Insert Far Field Set> Infinite Sphere…
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
按快捷键ctrl+D全屏显示。
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。
用HFSS分析设计一种3厘米波段H面喇叭天线
y
为平面波或近似为平面波，那么用这种天线直接照射高损
x
耗材料涂层时，效果等效于雷达的远场照射情况，则可直 接在近场测出材料的雷达波反射率。
喇叭天线是最简单和应用最广泛的微波天线之一。对
b a
LH
0
2ϕ 0
ϕ
Ey Hϕ Hρ ρ
r2 r1
于 H 面喇叭天线，采用图 1.1 所示的坐标时，场分布为：
z
[ ] E y
图 2.1
图 2.2 喇 叭 天 线 内 部 场 分 布 示 意 图 Partners In Design
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Ansoft2004 年用户通讯
三 测试结果
用最终仿真确定的尺寸加工得到的 H 面喇叭天线，配合小型矢量网络分析仪，对编号为 1#、2#的吸波材料涂层板进 行测量。并把测得的结果与厂家提供参考值进行比较，分别如图 3.1、3.2 所示。
Ansoft2004 年用户通讯
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用 HFSS 分析设计一种 3 厘米波段 H 面喇叭天线
管绍朋
上海大学通信学院 200072
摘要：本文用 Ansoft 公司的三维仿真软件 HFSS 仿真、设计了一种 3 厘米波段 H 面喇叭天线，把该 天线应用于高损耗材料雷达波反射率的近场测量，测得的结果与材料生产厂家提供的参考值比较,具有 较好的一致性。从而使得高损耗材料雷达波反射率的测量仪器小型化以及现场进行测量成为可能。
3.1 1#涂 层 板 的 测 量 结 果
3.2 2#涂 层 板 的 测 量，该方案切实可行。相关测试设备实现小型化，可满足于工程上现场测量的要求。 借助于 HFSS 的仿真，整个设计过程大大简化。节省了时间和成本，提高了效率。
参考文献 [1] Γ. 3.爱金堡等，《超高频天线》上册（汪茂光等译），人民邮电出版社，1980
HFSSV天线仿真基本操作指南
HFSSV天线仿真基本操作指南HFSS ⾼频仿真软件操作指南⽬录第⼀章创建⼯程 Project⼀、前期准备第⼆章创建模型 3DModeler⼀、绘制常见规则形状⼆、常⽤操作三、⼏种常见天线第三章参数及条件设置(材料参数、边界条件和激励源等) Setting⼀、设置材料参数⼆、设置辐射边界条件三、设置端⼝激励源四、特定边界设置第四章设置求解项并分析 Analyze⼀、设置分析Add Solution Setup⼆、确认设置并分析Validation Check Analyze All第五章查看结果 Results⼀、3D极化图（3D Polar Plot）⼆、3D直⾓图（3D Rectangular Plot）三、辐射⽅向图（Radiation Pattern）四、驻波⽐(VSWR)五、矩阵数据(Matrix Date)第⼀章创建⼯程⼀、前期准备1、运⾏HFSS后，左侧⼯程管理栏会⾃动创建⼀个新⼯程：Project n 。
由主菜单选File > Save as,保存到⼀个⽅便安全的⽂件夹，并命名。
(命名可包括下划线、字母和数字，也可以在Validation Check之前、设置分析和辐射场之后保存并命名)2、插⼊HFSS设计由主菜单选Project > Insert HFSS Design 或点击图标，(⼤⼝径的由主菜单选Project > Insert HFSS-IE Design)则⼀个新的项⽬⾃动加⼊到⼯程列表中，同时会出现3D画图窗⼝，上侧出现很多画图快捷图标。
3、选择求解类型由主菜单选HFSS > Solution Type（求解类型），选择Driven Model或Driven Terminal（常⽤）。
注：若模型中有类似于耦合传输线求耦合问题的模型⼀定要⽤DrivenTerminal，Driven Model适于其他模型，不过⼀般TEM模式（同轴、微带）传输的单终端模型⼀般⽤Driven Terminal分析。
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。
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
1
相关 内容
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设计 要求
3
模型 参数
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HFSS 仿真
5
结果 展示
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记录 总结
7
终页
8
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
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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。
喇叭天线设计操作步骤
第14讲喇叭天线设计1、创建设计工程新建工程，Name：Horn.hfss; Solution Type: Driven Modal; Units: in。
2、添加变量定义(in)length 1.23a 4.3b 2.15wlength 5*lengtha1 20.5b1 15.18plength 22.473、设计建模(1)创建喇叭模型①创建z=0的矩形面HornRectangle，Name：Horn, 透明：0.4;Position：(-a/2, -b/2, 0in)XSize: a, YSize: b;②创建z=plength的矩形面ApertureRectangle，Name：AperturePosition：(-a1/2, -b1/2, plength)XSize: a1, YSize: b1;③通过Connect命令生成喇叭模型按Ctrl键，依次选中Horn和Aperture，选择【Modeler】→【Surface】→【Connect】(2)创建WR430波导模型Box，Name: WR430，透明：0.4，Mat：vacuum; Position：(-a/2, -b/2, 0in),XSize: a , YSize: b , ZSize: -wlength(3)创建同轴线模型①创建同轴线外导体(ZX平面)Cylinder，Name: Outer，透明：0.4，Mat：vacuum; Position：(0, b/2, -4*length),Radius: 0.06in, Height: 0.3②创建同轴线内导体(ZX平面)Cylinder，Name: Inner，透明：0.4，Mat：pec; Position：(0, 0, -4*length),Radius: 0.025in, Height: 0.3in+b/2(4)布尔操作①【Unite】Horn、WR430和Outer；②Horn减去Inner，并保留Inner(5)把喇叭天线外边界设置为理想导体边界先选中【Select Faces】，然后【Edit】→【Select】→【By Name】，选择除Face28,Face70外的所有面元，然后设置为Perfect E。
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
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王迪;李正军【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2013(000)011【摘要】A 0.8~2.5 GHz broadband dual⁃polarized quadruple⁃ridge conical horn antenna is designed in this paper. The quadruple⁃ridge design of the antenna is regarded as two symmetrical double⁃ridge conical horns. Based on the known electromag⁃netic simulation software HFSS,which covers parameter and structure optimization,VSWR,isolation,gain,and directional dia⁃gram of the designed horn antenna can be worked out. The results show that the optimized antenna is of low⁃VSWR,high isola⁃tion and improved directional diagram. It is valuable for engineering design as a reference.% 设计了一种0.8~2.5 GHz双极化四脊圆锥喇叭天线。
四脊喇叭天线的设计可以看成对称的两个双脊喇叭天线，利用HFSS电磁仿真软件对天线的参数及结构进行优化，计算了天线的驻波比、隔离度、增益和方向图等参数。
结果表明，优化后的天线满足低驻波比，高隔离度，好方向图等特点，对工程设计具有一定的参考价值。
【总页数】4页(P82-84,88)【作者】王迪;李正军【作者单位】中国空间技术研究院西安分院，陕西西安 710100;中国空间技术研究院西安分院，陕西西安 710100【正文语种】中文【中图分类】TN821⁃34【相关文献】1.宽带、双极化四脊喇叭馈源研究 [J], 高喜;李思敏;刘扬清;于新华;姜彦南2.宽带双极化四脊圆喇叭天线的分析与设计 [J], 李彬;杨勇3.一种基于HFSS的的4GHz双模圆锥喇叭卫星天线设计 [J], 冯庆玉;杜汪洋4.一款致冷超宽带双极化四脊喇叭馈源的研制 [J], 罗蓉;邓凯华;吴声贤;冯来平5.恒束宽双极化加脊喇叭天线设计 [J], 刘培国;刘克成;何建国因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
HFSS天线设计流程
2. 设置求解类型
模式驱动求解—— Driven Modal • 以模式为基础计算S参数，根据各模式场的入射功率和反射功率来计算S参数矩阵的解，多数情况都可以使用模式驱动求解类型。
终端驱动求解—— Driven Terminal • 以终端为基础计算多导体传输线端口的S参数；此时，根据传输线终端的电压和电流来计算S参数矩阵的解。eγ1l1Biblioteka ,0,0 [eγl]
=
0,
e
γ
2l2
,0
0,0,
eγ 3l3
[Sdeembed ] = [eγl ][S ][eγl ]
5.设置激励方式——波端口激励（5）
波端口大小
• 波端口四周默认的边界条件是理想导体边界 • 对于波导或同轴线这类横截面闭合的器件，端口截面四周
理想匹配层 VS 辐射边界条件 • 理想匹配层因为能够完全吸收入射的电磁波，零反射，因此计算结果更精确。 • 理想匹配层表面可以距离辐射体更近，差不多λ/8即可，而辐射边界表面和辐射体之间的距离一般需要大于λ/4 • 同一个问题，使用理想匹配层仿真速度要比辐射边界条件慢
4. 设置边界条件—天线设计中常用边界条件(3)
有限导体边界——Finite Conductivity • 实际天线结构的导体部分，通常都是使用良导体，如金属铜。使用有限导体边界，可以 实现把一个平面的边界条件设置为金属铝、金属铜等良导体。
4. 设置边界条件—天线设计中常用边界条件(2)
辐射边界条件——Radiation • 在使用HFSS进行天线设计时，必须定义辐射边界条件或者理想匹配层用以模拟开放的自由空间；设计中只有定义了辐射边 界条件或者理想匹配层之后，软件才会分析计算天线的远区场。 • 辐射边界条件也称为吸收边界条件（Absorbing Boundary Condition，简称ABC），用于模拟开放的自由空间；系统在辐射边界 处吸收了电磁波，本质上可以把边界看成是延伸到空间无限远处。 • 辐射边界条件是自由空间的近似，这种近似的准确程度取决于波的传播方向与辐射边界之间的角度，以及辐射源与边界之间 的距离。辐射边界和辐射物体表面的距离一般不小于λ/4
基于HFSS的天线设计流程
天线设计流程：1.确定设计目标2.查阅资料，确定形状，给出结构图（变量形式）3.仿真建模、求解4.优化设计，确定变量值5.版图，加工，测试设计目标：设计并实现一款超宽带天线，天线馈电方式采用50Ohm微带线进行馈电，天线在3.1-10.6GHz频段范围内满足S11<-10dB，天线辐射方向图为全向。
天线介质基板采用选用介质板FR-4，其相对介电常数为4.4，厚度为h=0.8mm。
基于HFSS13.0的超宽带天线设计实例：一、建立工程菜单Project->Insert HFSS Design二、设置求解模式菜单HFSS->Solution Type->天线为Driven Modal三、天线模型建立1、设置模型尺寸长度单位菜单Modeler->Units->mm->OK单位一般设置为毫米mm。
2、天线模型结构本例天线采用的模型如图1所示，其详细结构尺寸见表1.图1超宽带平面天线结构图表1初步设计的超宽带平面天线尺寸微带线阻抗验证：1)、采用Agilent AppCAD计算2、采用LineCalc计算工具（ADS中的工具）3、输入设计参量菜单Project->Project Variables或者HFSS->Design Properties点击Add，输入w=16mm变量，详见下图依次输入表1中全部变量，最终如下图4、建立模型（1）创建介质板FR4（a）在菜单栏中点击Draw>Box，在模型窗口任意创建Box1（b）双击模型窗口左侧的Box1，改名为Substrate，在点击Material后面的按钮，选择Edit，搜索FR4，选择FR4_epoxy点击确定。
（c）双击模型窗口左侧Substrate的子目录Createbox，修改介质板大小及厚度。
介质板长l=32mm，宽w=16mm，厚h=0.8mm，如下图所示，点击确定。
（2）创建微带馈线（a）在菜单栏中点击Draw>Rectangle，在模型窗口任意创建Rectangle1（b）双击模型窗口左侧的Rectangle1，改名为microstrip，点击确定。
基于HFSS的天线设计
图1：微带天线的结构一、 实验目的●利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线。
◆微带天线要求：工作频率为2.5GHz ，带宽 (回波损耗S11<-10dB)大于5%。
●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1、微带天线简介微带天线的概念首先是由Deschamps 于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson 和Howell 于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。
微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。
图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。
与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L 、辐射源的宽度W 、介质层的厚度h 、介质的相对介电常数r ε和损耗正切δtan 、介质层的长度LG 和宽度WG 。
图1所示的微带贴片天线是采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。
对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L 方向上有2/g λ的改变，而在宽度W 方向上保持不变，如图2（a ）所示，在长度L 方向上可以看做成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。
从图2（b ）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。
（a ）俯视图 （b ）侧视图图2 矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图2、天线几何结构参数推导计算公式假设矩形贴片的有效长度设为e L ，则有2/g e L λ= 式中，g λ表示波导波长，有 e g ελλ/0= 式中，0λ表示自由空间波长，e ε表示有效介电常数，且21)121(2121-+-++=W h r r e εεε 式中，r ε表示介质的相对介电常数，h 表示介质层厚度，W 表示微带贴片的宽度。
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。
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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。
无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。
根据无线电系统对波段的要求，天线的设计也不同。
长中短波段，常用T形、环形、菱形等不同形状的导线构成天线；而在微波波段，常用金属板或网制成喇叭天线，抛物面天线，金属面上开槽的裂缝天线，金属或介质条排成的透镜天线等。
喇叭天线是一种广泛使用的微波天线，其优点是结构简单，频带宽，功率容量大，调整与使用方便，合理的选择喇叭尺寸可以获得良好的辐射特性，相当尖锐的主瓣和较高的增益。
因此，喇叭天线在无线通信,雷达等领域得到广泛的应用。
喇叭既可以做各种复杂天线的馈源,也能够直接作天线使用。
喇叭天线就外形特性来说,有方形口径喇叭和圆形口径喇叭。
方形口径喇叭天线辐射椭圆波束,从辐射方向图的圆对称性和圆极化工作性能方面都不如圆形口径喇叭天线。
圆形口径喇叭有单模喇叭,多模喇叭和平衡混合模喇叭。
单模喇叭的典型代表就是光壁圆锥喇叭天线,光壁圆锥喇叭结构简单且具有良好的辐射特性,因此在大型阵列天线中使用非常广泛。
近年来圆锥喇叭天线的理论和实验研究发展比较迅速,出现了多种改进形式:包括多模圆锥喇叭、波纹喇叭、变张角喇叭和介质加载喇叭等。
第1章概述1.1 天线的应用背景天线是任何无线电通信系统都离不开的重要前端器件。
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。
在图1-1所示的通信系统示意图中，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。
图1–1 通信系统示意图无线通信的技术及业务的迅速发展既对天线提出许多新的研究方向，同时也促使了许多新型天线的诞生。
例如多频多极化的微带天线，电扫描和多波束天线，自适应天线和智能天线。
天线按照用途的不同，可将天线分为通信天线，广播和电视天线，雷达天线，导航和测向天线等；按照工作波长，可将天线分为长波天线，中波天线，短波天线以及微波天线等为了理论分析的方便，通常将天线按照其结构分成两大类：一类是由导线或金属棒构成的线天线，主要用于长波，短波和超短波；另一类是由金属面或介质面构成的面天线，主要用于微波波段。
面天线的种类很多，常见的有喇叭天线，抛物面天线，卡塞格伦天线。
这类天线所载的电流是分布在金属面上的，而金属面的口径尺寸远大于工作波长。
面天线在雷达，导航，卫星通信以及射电天文和气象等无线电技术设备中获得了广泛的应用。
喇叭天线是最广泛使用的微波天线之一。
1.1.1天线的发展与应用自赫兹和马可尼发明了天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，如今成为人们不可或缺之物。
赫兹在 1886年建立了第一个天线系统，他当时装配的设备如今可描述为工作在米波波长的完整无线电系统，采用终端加载的偶极子作为发射天线，谐振环作为接收天线。
1895年5月7日俄罗斯科学家亚历山大利用电磁波送出第一个信号到 30英里外的海军舰艇上。
1901年12月中旬，马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路，为较长的波长配置了大的天线和接地系统，并在纽芬兰的圣约翰斯接收到发自英格兰波尔多的无线电信号。
一年后，马可尼便开始了正规的无线电通信服务。
在 20世纪初叶，由于“共和国号”和“泰坦尼克号”海难事件，马可尼的发明戏剧性地表现出在海事上的价值。
因为在无线电问世之前，船舶在海上是完全孤立的，当灾难来袭时，即使是岸上或邻近船舶上的人也无法给予提醒。
随着第二次世界大战期间雷达的出现，厘米波得以普及，无线电频谱才得到了更为充分地利用。
如今，数以千计的通信卫星正负载着天线运行于不同的轨道中，犹如土星的光环围绕土星那样围绕着地球；手持的全球定位卫星接收机能够为任何地面或空中的用户不分昼夜晴雨地提供经度、纬度和高度信息，其精确程度达到厘米级；载有天线阵的探测器在地面系统的指挥下已经访问了太阳系的其他行星；飞机和船舶随身携带的天线为其提供了必不可少的通信系统；移动电话借助于天线为人们提供任何地点和任何人的通信。
随着人类活动向太空扩展，对天线的需求也将增长到史无前例的程度，天线将在未来的生活中担任着越来越重要的角色。
1.1.2喇叭天线的发展和应用在微波波段，采用各种波导传输电磁波能量，常用的波导是矩形和圆形截面波导，也有用椭圆形截面波导的。
随后人们发现终端开口的波导也可以向外辐射电磁波，于是就有了波导终端开口构成的波导辐射器，这种馈源是传输线波导的自然发展。
后来为了改善方向性，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。
普通喇叭的方向图在各个平面内是不相同的，两个主平面内相位中心也不重合。
喇叭作为反射面天线馈源时，要求它有确定的相位中心和接近圆对称的初级方向图，这样，旋转对称的反射面天线，可以获得接近圆对称的次级方向图，具有良好的电性能。
而利用高次模和主模相结合的多模喇叭和在喇叭内壁开槽的波纹喇叭，辐射方向图可以做到圆对称，且工作频带宽。
这两种形式的喇叭，副瓣电平低，交叉极化分量小，相位特性良好。
用它们作馈源，可使反射面天线效率提高到75%～80%。
喇叭天线的出现与早期应用可追溯到十九世纪后期，到了二十世纪三十年代，由于第二次世界大战期间对微波和波导传输线的兴趣，喇叭天线便开始发展起来。
20 世纪 90 年代，随着军事斗争对毫米波制导需求的增长，以及在研制毫米波发射机和接收机方面的需求，喇叭天线获得了广泛的研究。
目前，喇叭天线已大量用作遍及全世界安装的大型射电望远镜，以及卫星跟踪和通信反射面天线的馈电单元。
除此之外，它也是相控阵的常用单元，并用作对其它天线进行校准和增益测试的标准天线。
喇叭天线由一段均匀波导和一段喇叭组成，可以看成是由横截面逐渐扩展而形成的一种天线，一般分为矩形喇叭和圆锥喇叭两类。
矩形喇叭天线又有 H 面扇形喇叭、E 面扇形喇叭和角锥喇叭之分。
由于上述普通矩形和圆锥喇叭天线具有结构简单，功率容量大和高增益的优点，所以在微波测量系统中被大量的用作标准测量天线。
1.2天线的基础知识描述天线工作特性的参数称为天线电参数，又称电指标。
他们是定量衡量天线性能的尺度。
我们需要了解天线电参数。
大多数天线电参数是针对发射状态规定的，以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及定向辐射的能力。
1.2.1天线的原理当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场。
按电磁场在空间的分布特性，可分为近区，中间区，远区。
设R为空间一点距导体的距离，在R《λ/2π时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流,电压有紧密的联系。
在R 》λ/2π的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流，电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。
发射天线正是利用辐射场的这种性质，使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射。