馈源喇叭天线的研究
西安电子科技大学
硕士学位论文
馈源喇叭天线的研究
姓名：李萌
申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：鄢泽洪
20100101
喇叭天线地设计1206030201
微波技术与天线课程设计—— 角锥喇叭天线 ：吴爽 学号：1206030201
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角开而形成的，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)虚顶点到口径中点的距离为R E,H 面(xz 面)虚顶点到口径中点的距离为R H。 1. 口径场 角锥喇叭的电磁场，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： η πβy X R y R x j H y E H e D x E E E H -==+-)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 r e E j E I I r e E j E θ?λθ?λβ?βθ+=+=-- （2.1） 其中：
螺旋天线原理与设计基础知识
一般成品螺旋天线都用导电性能良好的金属线绕成并密封好,其工作原理下： 图1 所示一般天线结构示意图。D是螺旋天线直径，L是螺旋天线长度，ρ是螺距，Ⅰ、Ⅱ是螺旋线上相对应两点。 一般可以认为，电磁波沿金属螺旋线以光速C作匀速运动。 从Ⅰ点到Ⅱ点即进行一个螺旋，所需时间为 t = πD/C 而对螺旋天线而言，其轴向电磁波只运动行进了一个螺距ρ，其轴向等效速率 υ=ρ/t =ρ/C (πD) 这种关系也可用图2形式解释。由图2可知： υ=Csinθ=Cρ/（πD）≤C 由上式可以看出，υ总是小于等于C的。故螺旋天线能使电磁波运动速度减慢，是一个慢波系统，其等效波长λ等效小于工作波长λ。对于螺旋天线而言，应谐振于其1/4等效波长，因而能缩短螺旋天线的几何长度。 对于工作于一定中心频率的通讯机来说，其所需绕的线圈数N可以由下式近似算出：
螺距：υ=L/N 所需金属线长度：ι=NπD 对于一般通讯机可取 L=20~40cm D=10~20mm 下表是对一些常用频率螺旋天线的设计实例，其他频率也可类似设计。 f是工作中心频率； D是螺旋天线直径； L是螺旋天线长度； N是螺旋圈数； ι是所需金属线长度。 以上N、ρ为了实际制作需要均取近似值。 制作时可用直径0.5~1.5mm漆包线或镀银铜线或铝线在直径为D的有机玻璃或其他绝缘材料上绕制，并在棒的两头打上小孔，以利于固定金属线；在棒的底端焊上较粗的金属杆或插头固定在棒上，以利于与机器连接；整个螺旋天线的外面可用橡胶管或其他材料套封，并在顶端盖上橡皮帽或用其他材料密封，这样既美观大方，又防雨防蚀，经久耐用。如果没有上述金属丝，也可采用多股细绝缘导线代替，效果相同，只是绕制时固定较为困难。 以上螺旋天线也可用于各种小型遥控设备及其他类似机器上。 为了比较慢波天线与常规拉杆天线的不同，说明慢波天线尺寸较小的优点，我们可对拉杆天线作一计算。 设定参数如下：
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：吴爽 学号：01
目录 一．角锥喇叭天线基础知识............. 错误!未定义书签。 1.口径场 错误!未定义书签。 2.辐射场 错误!未定义书签。 3.最佳角锥喇叭.................... 错误!未定义书签。 4. 最佳角锥喇叭远场 E 面和 H面的主瓣宽度错误!未定义书签。 二．角锥喇叭设计实例................. 错误!未定义书签。 1.工作频率 错误!未定义书签。 2.选用作为激励喇叭的波导....... 错误!未定义书签。 3.确定喇叭的最佳尺寸........... 错误!未定义书签。 4.喇叭与波导的尺寸配合......... 错误!未定义书签。 5.天线的增益................... 错误!未定义书签。 6.方向图....................... 错误!未定义书签。
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： η πβy X R y R x j H y E H e D x E E E H - ==+-) 2(022 )cos( （） 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 r e E j E I I r e E j E θ?λθ?λβ?βθ+=+=-- （）
最新2讲Deng喇叭天线和抛物面天线汇总
2讲D e n g喇叭天线和抛物面天线
第二讲常见口径面天线 一、喇叭天线 1.喇叭天线的种类、结构和特点 根据惠更斯原理，终端开口的波导可以构成一个辐射器，但是波导口面的电尺寸很小，辐射方向性弱。而且，在波导开口处波导与开口面外的空间不匹配，会产生严重的反射，不宜作为天线使用。将波导的截面均匀地逐渐扩展，形成如图1所示的喇叭天线。它们不仅扩大了天线的口面尺寸，同时改善了口面的匹配情况，从而取得了很好的辐射特性。 图1 喇叭天线种类 上图表示了几种常用的喇叭天线。当矩形波导的截面仅在H面展宽时，形成H面扇形喇叭；仅在E面展宽时，形成E面扇形喇叭；同时在E面和H面展宽则形成角锥喇叭；由圆波导均匀展开形成圆锥喇叭。 喇叭天线时一种应用很广泛的微波天线。它具有结构简单、重量轻、易于制造、工作频带较宽、功率容量大等优点。合理选择尺寸，可以获得良好的辐射特性、相当高的方向系数、相当尖锐的主瓣、比较小的副瓣。
喇叭天线可以作为独立的天线，也可以作为反射面天线及透镜天线的馈源，还能用作收发共用的双工天线。在天线测量中，也被广泛用作标准增益天线。 2.喇叭天线口面 为了确定喇叭天线的辐射特性，必须了解喇叭口面上场的分布，即求解喇叭的内场。求解喇叭内电磁场常采用近似的方法：认为喇叭为无限长，忽略外场对内场的影响，把喇叭的内场结构近似看做与标准波导内的场结构相同，只是因为喇叭是逐渐张开的，使得波形略有变化。在平面状的喇叭口面上，场的振幅分布可近似认为与波导截面上相似，但是口面上场相位偏移的影响则不能忽视。图2(a)、(b)分别表示H面及E面扇形喇叭的几何参数，下面我们来计算口面场上的相位偏移。 图2 H面、E面扇形喇叭几何参数图 如图2(a)所示，到口面上M点的波程比到口面中心O点的波程长MN的距离。设口面中心处O点的相位偏移为0，则口面上任一点M的相位偏移表示为：
喇叭天线设计要点
1 课题背景 喇叭天线是一种应用广泛的微波天线，其优点是结构简单，频带宽，功率容量大，调整与使用方便。合理地选择喇叭天线尺寸，可以获得很好的辐射特性、相当尖锐的主瓣、较小副瓣和较高的增益。因此，喇叭天线应用非常广泛，它是一种常见的天线增益测试用标准天线。 喇叭天线就其结构来讲可以看成由两大部分构成：一是波导管部分，横截面有矩形，也有圆形；二是真正的喇叭天线部分。 波导部分相当于线天线中的馈线，是供给喇叭天线信号和能量的部分。对工作于厘米波或毫米波段内的面天线，如采用线状馈线，将因馈线自身的辐射损耗太大不能把能量传送到面天线上，所以，必须采用自身屏蔽效果很好的波导管作馈线。普通喇叭天线结构原理图如所示。 图普通喇叭天线结构原理图 HFSS全称为High Frequency Structure Simulator，是美国Ansoft公司（注：Ansoft公司于2008年被Ansys公司收购）开发的全波三维电磁仿真软件，也是
世界上第一个商业化的三维结构电磁仿真软件。该软件采用有限元法，计算结果精准可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。 HFSS采用标准的Windows图形用户界面，简洁直观；拥有精确自适应的场解器和空前电性能分析能力的功能强大后处理器；能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场；自动化的设计流程，易学易用；稳定成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。使用HFSS，用户只需要创建或导入设计模型，指定模型材料属性，正确分配模型的边界条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算并输出用户需要的设计结果。 HFSS软件拥有强大的天线设计功能，可以提供全面的天线设计解决方案，是当今天线设计最为流行的软件。使用HFSS可以仿真分析和优化设计各类天线，能够精确计算天线的各种性能，包括二维、三维远场和近场辐射方向图、天线的方向性系数、S参数、增益、轴比、输入阻抗、电压驻波比、半功率波瓣宽度以及电流分布特性等。
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 Abstract Antenna 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
cst喇叭天线
题目：喇叭天线 作者1：胡庭班级11级通信五班学号1110405012 作者2：宋恒阳班级11级通信五班学号1110405029 喇叭天线的设计 一、实验目的： 1、熟悉CST软件的使用； 2、掌握喇叭天线分析和求解方法，喇叭天线基本设计方法； 3、利用CST软件对喇叭天线进行分析，掌握喇叭天线的规律和特点。 二、预习要求 1、喇叭天线原理。 2、CST软件基本使用方法。 三、实验原理 1天线的辐射场可利用惠更斯原理由口面场来计算。口面场则由喇叭的口面尺寸与传播波型所决定。可用几何绕射理论计算喇叭壁对辐射的影响，从而使计算方向图与实测值在直到远旁瓣处都能较好地吻合。它的辐射特性由口面的尺寸与场分布决定，而阻抗由喇叭的颈部（始端不连续处）和口面的反射决定。当喇叭长度一定时，若使喇叭张角逐渐增大，则口面尺寸与二次方相位差也同时加大，但增益并不和口面尺寸同步增加，而有一个其增益为最大值的口面尺寸，具有这样尺寸的喇叭就叫作最佳喇叭。 2 喇叭和角锥喇叭传播的是球面波，而在一个面（E或H面）张开的扇形喇叭中传播的则是柱面波。喇叭口面场是具有二次方相位差的场，二次方相位差的大小与喇叭的长度和口面大小有关。 为了扩展喇叭的频带，必须减小喇叭颈处与口面处的反射。口面尺寸加大，则反射减小。此外，把波导与喇叭的过渡段尽量做得平滑些，也可以减小该处的反射。由于该位置附近的喇叭尺寸还很小，因此，不能传播高次模，一般都传输单模。为了控制辐射方向图，有时口面上需要多模场分布，这时应在喇叭内适当位置引入能产生高次模的器件。这种喇叭叫作多模喇叭，可用作单脉冲雷达或高
效率天线馈源。由于各模在喇叭内的相速不同，多模喇叭的频带比常规喇叭的要窄。 四、实验内容与步骤 1.点击打开软件选择如下图所示的图标 2.选择天线模板 3.设置单位
天线理论学习总结(20101203)
天线理论学习总结 (3) 1天线基础理论 (3) 1.1 天线的定义和分类 (3) 1.2 天线的辐射场计算 (3) 1.2.1 辅助位函数法 (3) 1.2.2 电偶极子的场 (6) 1.3天线的基本参数 (9) 1.3.1 辐射方向图 (9) 1.3.2波束宽度和副瓣电平 (11) 1.3.3 波束范围或波束立体角 (11) 1.3.4 辐射强度 (13) 1.3.5 波束效率 (13) 1.3.6 方向性系数D与天线分辨率 (13) 1.3.8 辐射功率和辐射阻抗 (15) 1.3.9 输入阻抗 (17) 1.3.10 天线的效率和增益 (18) 1.3.11 有效面积（有效口径）和口径效率 (18) 1.3.12 天线极化 (19) 1.3.13 天线的带宽 (22) 1.3.14 天线驻波比、反射系数和回波损耗 (23) 2 喇叭天线基础理论 (25) 2.1 喇叭天线的结构特点与分类 (25) 2.2 喇叭天线的口径场和辐射场分布与方向性 (29) 2.2.1矩形喇叭天线口面场分布规律 (29) 2.2.1.1 矩形喇叭天线的口面场结构 (29) 2.2.1.2 矩形喇叭天线口面场相位分布特点 (31) 2.2.1.3 矩形喇叭天线口面场振幅分布 (33) 2.2.2 喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭 (35) 2.3 喇叭天线的参数选择 (39) 3 抛物面天线基础理论 (40) 3.1 抛物面天线的结构特点与工作原理 (40) 3.1.1 结构特点和要求 (40) 3.1.2 抛物面的几何尺寸及特性 (41)
3.1.3 抛物面天线的工作原理 (42) 3.2 抛物面天线的口径场和辐射场分布与方向性 (43) 3.2.1 口径场分布 (43) 3.2.2 抛物面天线辐射场的方向性 (44) 3.3 抛物面天线的技术要求 (45) 3.3.1 对照射器的要求 (45) 3.3.2 照射器对反射面的影响 (47) 3.3.3 反射面对照射器的影响 (49) 3.3.4 反射面技术公差对辐射场的影响 (52) 3.4 抛物面天线的参数选择 (53) 参考文献 (53)
天线理论基础
环测威官网：https://www.wendangku.net/doc/6b6445121.html,/ 接收天线以无线电，电视或无线电话信号的形式捕获电磁辐射。在距接收天线一定距离处- 例如无线电台或电视台- 原始声音和/或图像被转换成电信号并通过发射天线发出。这与接收天线相反，尽管两者可能看起来相同。 根据您发送或接收的信号频率以及发射和接收天线的方向，高度和功率等因素，需要调整天线的尺寸，形状和设计以获得最佳性能。对于这种现象的简单示例，可以考虑典型AM / FM 无线电使用的两种不同天线。 对于88至108 MHz频率范围内的FM广播接收，大多数无线电都配备了一个外部安装的伸缩杆天线，可以旋转以最好地捕获FM电台。 然而，用于在540kHz至1.705MHz频率范围内进行AM广播接收的天线通常是位于内部的铁氧体棒，其上缠绕有细线。 基本思想是天线的设计受其意图接收的信号的影响。
环测威官网：https://www.wendangku.net/doc/6b6445121.html,/ 常见的天线理论 为了更好地理解天线设计，了解以下常见的天线属性和理论是有帮助的。 ?方向性：天线设计中需要考虑的基本属性是天线的方向性- 或测量其辐射方向的指向。理论上，全向天线具有零方向性，而发送或接收在一个方向上聚焦的信号的天线将具有更高的方向性。 ?通常，像偶极天线这样的较小的电天线具有较低的方向性。对于具有高方向性的天线，可以考虑那些尺寸为几个波长的天线，如卫星或喇叭天线。 ?3DBF：三维波束成形- 或3DBF - 是一种在发送或接收信号时考虑仰角和方位角以确保最佳到达角度的方法。在动态3DBF中，广播信号天线自动倾斜到预期用户的位置。 ?天线增益：天线增益表示天线在假设相同情况下与理想天线相比在特定方向上发送或接收的信号强度。对于您知道信号始发方向的电视天线，您需要一个高增益天线。 但是，对于可以连接到任意数量卫星的移动GPS天线，您需要一个增益相对较低的天线。
喇叭天线的设计1206030201
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：吴爽 学号：1206030201
目录 一．角锥喇叭天线基础知识 (4) 1.口径场 4 2.辐射场 5 3.最佳角锥喇叭 (8) 4. 最佳角锥喇叭远场E 面和H面的主瓣宽度 (8) 二．角锥喇叭设计实例 (9) 1.工作频率 (9) 2.选用作为激励喇叭的波导 (9) 3.确定喇叭的最佳尺寸 (10) 4.喇叭与波导的尺寸配合 (10) 5.天线的增益 (12) 6.方向图 (12)
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： η πβy X R y R x j H y E H e D x E E E H -==+-)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 r e E j E I I r e E j E θ?λθ?λβ?βθ+=+=-- （2.1）
天线原理与设计 讲义
第八章 口径天线理论基础 在第七章以前我们讨论的是线状天线，其特点是天线呈直线、折线或曲线状，且天线的尺寸为波长的几分之一或数个波长。所构成的基本理论称之为线天线理论。既使是第七章的开槽缝隙天线，在分析时也是借助了缝隙天线的互补天线—金属线天线来分析。 在实际工作中，还将遇到金属导体构成的口径天线和反射面天线。有时我们统称为口面天线。它们包括：喇叭天线、透镜天线、抛物面天线、双反射面的卡塞格伦天线等。见P169图8-1。它们的尺寸可以是波长的十几到几十倍以上。 口面天线的分析模型如图8-1所示： 图8-1 口面天线的分析模型 S ′为天线金属导体面，为开口面，S S ′＋构成一个封闭面，封闭面内有一源。 S 对这样一个分析模型，要求解空间某点p 处的电磁场E P 、H P 。它们可描述为由两部分组成：一部分是源的直达波，一部分是由天线导体面上感应电流产生的散射场。这种分析方法我们称之为面电流法。面电流法对反射面天线有效，它是分析反射面天线的方法之一。但是，面电流法对喇叭天线、波导口天线一类的口径天线无效，或者说处理很难。我们可采用口径场法。 口径场法步骤： 1、解内问题，即由场源求得口面上的场分布； 2、解外问题，即由口面上场分布求解远区辐射场。 由此可见，反射面天线也可用口径场法分析。 喇叭天线一类：口径场法； 反射面天线一类：口经场法，面电流法。（近似方法） 有的反射面天线如抛物环面，由于口径场不易确定，还只得用面电流法。 口径场法和面电流法都是近似的方法，它们只能求出口径面前方半空间的辐射场，口面后方半空间的场无法求得。实际上口面天线的外表面及口径边缘L 上均有感应电流。这部分电流就是对口面天线后向辐射的主要贡献。但通常的做法是采用几何绕射理论，求由边缘L 产生的绕射。 值得说明的是，口面天线的边缘绕射场与前方半空间的场相比是微不足道的。 如果采用口径场法，那么，现在的问题是：能否用口径天线口面上的场分布来确定天线辐射场？回答是肯定的，这就须由惠更斯—菲涅尔原理来说明。
喇叭天线基础理论
2喇叭天线基础理论 2.1喇叭天线的结构特点与分类 喇叭天线就其结构来讲可以看成由两大部分构成：一是波导管部分，横截面有矩形. 也有圆形；二是真正的喇叭天线部分。 波导部分相当于线天线中的馈线，是供给喇叭天线信号和能董的部分。对工作于厘米波或毫米波段內的面天线，如采用线状馈线，将因馈线自身的辐射损耗太大不能把能量传送到面天线上，所以，必须釆用自身屏蔽效果很好的波导管作馈线。 田6-5-1晋通痢叭天攵邛i5构廉理田 图2. 1普通喇叭天线结构原理图 矩形波导中能够传输的波形（或叫模式）一般表示成TEnm，英中第一个下标表示电场在宽边x方向上分布的半波长个数，第二个下标n表示电场在窄边y方向分布的半波长个数。也表示电场在矩形波导中沿x, y方向上为驻波分布，z方向为行波分布，而且，m, n可以有一个为零，但不能同时为零，否则各横向电磁场量就全部变为零，导致H为一常数，相当于矩形波导中没有电磁波存在。如下图所示： 对于矩形波导管，其内部传输的主波型，也叫主模是TEw模,
对于姗皴辱管，其內部劇的主鯉,也叫議是％型，称膨电战该电磁枝械导管纵向理以行播方離输，畅分量胸垂直波能播方耐即沿毓踽訥窄边理方亂大小財沿宽边X轴作变北，且为驻波分布，即要槻边油機正妊等于半个瞅刍把理枝中宽边也度等于半瞅纟整数倍的其它齡为高熾或 2 2 高次模，高次模械导传输糠减瞰频率更高的高次犍至不能砌皴导中传轨对于现渡中的磁场分量可以沿^形披寻的横截酚帝也可以沿披的传播方冋分布。 对于矩开皴导中传输的波型还有-种叫橫蹴，即皿点，谢鮒是电磁波只有垂直于传播方向的磁场分量，而对电场分量可以蹴囱传播方亂也可牆垂直于波的传播方亂下标处询含义与乓波相同。 肝删披导亀其内部翳的主模是岛，即波寻管的内?正牆于半饨 拌,其鵝管半径也正好等于半饨长刍对不龊此条件舸高次模沿鹼離树 2 2 衰淞度很快,传輸距离自綁近,陨认为不能进施 由于横电械中附电场握-定是垂直于枝的传輪方阿而与翳横电躺鵝管相连接瓣叭天练棊口面场中的电场￡,只能碱导中的电场处于同」方亂磁场ffjD 嫣中的磁场同方航根駆祥的分布特為耙与矩蹴导相翳膵如逐渐断（宽茲保持不变）构成朋叭砂,称为E面就飘雉,脈651（b）所示； 把与劇斤对应的宽边x逐渐张开（窄边y保持筱）构成的輙天统称为H 面 扇辦叭袈，如图淸?1（潮示;
喇叭天线基础理论
2 喇叭天线基础理论 2.1 喇叭天线的结构特点与分类 喇叭天线就其结构来讲可以看成由两大部分构成：一是波导管部分，横截面有矩形，也有圆形；二是真正的喇叭天线部分。 波导部分相当于线天线中的馈线，是供给喇叭天线信号和能量的部分。对工作于厘米波或毫米波段内的面天线，如采用线状馈线，将因馈线自身的辐射损耗太大不能把能量传送到面天线上，所以，必须采用自身屏蔽效果很好的波导管作馈线。 图2. 1 普通喇叭天线结构原理图 矩形波导中能够传输的波形（或叫模式）一般表示成TE mn ，其中第一个下标表示电场在宽边x 方向上分布的半波长个数，第二个下标n 表示电场在窄边y 方向分布的半波长个数。也表示电场在矩形波导中沿x ，y 方向上为驻波分布，z 方向为行波分布，而且，m ，n 可以 有一个为零，但不能同时为零，否则各横向电磁场量就全部变为零，导致H 为一常数，相 当于矩形波导中没有电磁波存在。如下图所示：
对于矩形波导管，其内部传输的主波型，也叫主模是TE10模，
2.2 喇叭天线的口径场和辐射场分布与方向性 2.2.1矩形喇叭天线口面场分布规律 2.2.1.1 矩形喇叭天线的口面场结构 为了说明喇叭天线的口面场结构，可用一个矩形喇叭来说明。图6-5-2画出了一个矩形扇形喇叭天线的场分布图。
（1）当矩形波导前端面开口时，也同样能产生电磁辐射，只是因为口面直径太小，按面天线理论，口面积越大，辐射场越强，方向性越好。这样由矩形波导前端面产生的辐射场强将较弱，方向性也相对较差。如果采用开口形状喇叭，口面积相对增大，辐射场也将增强； （2）当矩形波导前端开口时，将造成电磁波在波导内、外的存在空间不同。两个大小不同的空间环境对电磁波呈现的阻抗也不相同，其结果就是电磁波在波导中形成驻波形式，影响能量传输。如把波导开口做成喇叭形状，可以使电磁波由波导传到大空间时有一个渐变过程或过渡过程，这样能减缓阻抗的骤变，使电磁波在波导内传输时的驻波成份减少，有利于提高能量在波导中的传输效率。 (2)当矩形波导前端做成喇叭形状，电磁波载波道中的传输效率得到了提高，但由于喇叭和矩形波导形状上的差异，必将导致传到喇叭中电磁波的波阵面成为柱面（与矩形波导对应的喇叭）或球面形状（与圆形波导对应的喇叭）。这样在喇叭口面上形成的口面场Es 成为非均匀口面场结构，即在口面上各点Es 的相位和振幅大小不再相等，这将造成喇叭天线辐射场方向性变坏。 2.2.1.2 矩形喇叭天线口面场相位分布特点 根据天线辐射场一般表示式，其辐射场E H θ?和最终是由口面场Es 决定的。因此对口面场Es 的振幅和相位分析，就成为分析喇叭天线的首要问题。 以H 面扇形喇叭天线为例，并假定激励H 面扇形喇叭的巨型波导TE 10型波。由于H 面扇形喇叭相当于矩形波导宽边x 逐渐扩展而成，因此其口面场E s sy E =的相位将随宽边x 坐标发生变化，与保持不变的窄边y 无关，或者说E sy 相位沿窄边y 保持均匀分布，如图6-5-3所示。
喇叭天线
Characterization of Millimeter Wave Phased Array Antennas in Mobile Terminal for 5G Mobile System Jakob Helander, Daniel Sj?berg, Mats Gustafsson Department of Electrical Information Technology LTH, Lund University Lund, Sweden Kun Zhao, Zhinong Ying Network Technology Laboratory SONY Mobile Communications AB Lund, Sweden Abstract — This paper presents a characterization method for millimeter wave (mmWave) phased array antennas in the mobile terminal for 5G communication. Arrays of different antenna designs, operating at 28 GHz, are evaluated according to novel characterization methods in this context - the total scan pattern of the phased array and its respective coverage efficiency. The results show the relevance of evaluating antenna array designs according to these characteristics, and illustrate, by introducing pattern diversity through sub-array schemes, that the coverage efficiency can be enhanced. I. I NTRODUCTION For supporting high quality multimedia applications in future smartphones, the massive increase in mobile data rates creates new challenges regarding the development of the 5th generation mobile system. Due to shortage of frequency spectrum below 6 GHz, bands at the mmWave frequencies (10 – 300 GHz) have been widely suggested as candidates, as the considerably larger bandwidths could be exploited to increase the capacity and enable the user to experience several gigabits per second data rates [1-3]. However, moving from the much lower cellular carrier frequencies used today (700 MHz – 2.6 GHz) up towards the mmWave bands results in a much higher free space path loss, as can be seen from Friis’ formula: R T T R 20log . (1) Here, is the distance between the antennas, the carrier frequency, the speed of light, and R,T and R,T the power and gain for receiving and transmitting antenna, respectively. In order to compensate for this increase in path loss without applying additional power, the antenna gains in both base station and mobile terminal need to be much higher than current cellular antennas. In the mobile terminal, the high gain could be realized by employing an antenna array, which is made possible as the physical antenna element aperture decreases with the increase of frequency. However, as gain is increased the resulting beamwidth will be narrowed accordingly, which will reduce the coverage of the mobile terminal array. Phased array configurations introduce the beamsteering function, and enable the system to achieve a good link when incoming signals are coming from different angles [2, 3], but the steering range will still be limited. Beamsteering using phased arrays as a concept is not new, but the idea of utilizing it in mmWave spectrum using small form factor antennas in the mobile terminal is just starting to be considered [4-6]. Thus, it is of great value to characterize mmWave phased arrays in mobile terminals, not only according to classical standards, but also to consider their total scan pattern and achievable coverage with respect to a gain threshold level , see Fig. 1. This paper introduces the total scan pattern and coverage efficiency, and presents simulated results of different phased arrays implemented in the mobile terminal and operating at 28 GHz, Moreover, some sub-array schemes have also been investigated in order to achieve pattern diversity and illustrate how the coverage efficiency can be enhanced. II. C HARACTERIZING A RRAY P ERFORMANCE Since mobile terminals are hand-held in non-fixed positions, incoming signals are assumed to be isotropically distributed. Our simplified physical model assumes urban cell sizes of ~200 m with a link being established either through line-of-sight (LOS) or minimum number of reflections. A. Total Scan Pattern and Coverage Efficiency ( ) The total scan pattern is obtained from all array patterns corresponding to the different phase shifts, by extracting the best achievable gain at every angular distribution point ( , ), such as to the right in Fig. 1. The coverage area of a mobile terminal phased array antenna can be found from the total scan pattern coverage with respect to . The coverage efficiency can thus be defined such as: C A . (2) The total area is the whole surrounding sphere. will depend on the parameters in (1), with the flexibility of adding Fig. 1. Left: The total scan pattern of phased array gain, and how its coverage is evaluated with respect to a gain threshold level. Right: Example of total scan pattern of phased array. 7978-1-4799-7815-1/15/$31.00 ?2015 IEEE AP-S 2015
抛物面天线基础理论
抛物面天线基础理论
3.1.2 抛物面的几何尺寸及特性 一般用于面天线反射面的抛物面，都具有以剖面图6-6-1中的z轴为中心呈旋转对称式结构。在剖面图中，把o称为抛物面的顶点，F称为抛物面的焦点， ψ称为抛物面的张角，是从焦点F 到口面边沿射线与OF轴线的夹角；D=2R称为抛物面口面直径，R为口面半径；ρ为焦点F到反射面上任意点的距离。 由抛物面的定义可知： =+=+ 2cos(1cos) fρρψρψ 此关系式是以焦点F为极坐标原点得出的抛物线方程，由此可进一步得到：
21cos f ρψ=+ 由图 6-6-1还可得到： 2sin sin 21cos sin 1cos f y ftg tg ψρψψψ ψψψ===+=+ 把口面直径0 ,2D y R ψψ===代入6-6-3可得到： 222D ftg ψ=，或者0 1142f D tg ψ=? 3.1.3 抛物面天线的工作原理 根据抛物面的集合特性，可以得到抛物面的两个重要性质：
（1）由焦点F发出的射线，经旋转抛物面反射后，反射线互相平行，且都平行于其轴线OF，即//''// MN M N OF。反过来，平行于OF轴线的射线，经旋转抛物面的反射作用，其反射线均汇聚于其焦点处。 （2）由焦点发出的射线，经由旋转抛物面反射到达口面时，其长度相等，即： +=+6-6-3 ''' FM MN FM M N 这说明，由焦点F发出的射线，经旋转抛物面反射后，每条射线路程均相等。 根据以上两条可以得到，当把照射器置于焦点位置，并使照射器的相位中心与抛物面焦点重合，照射器辐射出的球面波经旋转抛物面反射后，在口面上将转变成平面波，使抛物面天线口面场形成均匀分布。由前面讨论结果得知，均匀口面场必将产生强方向性辐射场，这就是利用旋转抛物面产生强方向性辐射场的原理所在。 当然，如果把旋转抛物面天线用作接收，入射波又是平面波形式，经抛物面反射后，就会把平面波转换成球面波传送到位于焦点位置的照射器，形成聚集接收，增加照射器接收信号的强度。
喇叭天线设计要点
| 1 课题背景 喇叭天线是一种应用广泛的微波天线，其优点是结构简单，频带宽，功率容量大，调整与使用方便。合理地选择喇叭天线尺寸，可以获得很好的辐射特性、相当尖锐的主瓣、较小副瓣和较高的增益。因此，喇叭天线应用非常广泛，它是一种常见的天线增益测试用标准天线。 喇叭天线就其结构来讲可以看成由两大部分构成：一是波导管部分，横截面有矩形，也有圆形；二是真正的喇叭天线部分。 波导部分相当于线天线中的馈线，是供给喇叭天线信号和能量的部分。对工作于厘米波或毫米波段内的面天线，如采用线状馈线，将因馈线自身的辐射损耗太大不能把能量传送到面天线上，所以，必须采用自身屏蔽效果很好的波导管作馈线。普通喇叭天线结构原理图如所示。 图普通喇叭天线结构原理图 HFSS全称为High Frequency Structure Simulator，是美国Ansoft公司（注：
Ansoft公司于2008年被Ansys公司收购）开发的全波三维电磁仿真软件，也是世界上第一个商业化的三维结构电磁仿真软件。该软件采用有限元法，计算结果精准可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。 HFSS采用标准的Windows图形用户界面，简洁直观；拥有精确自适应的场解器和空前电性能分析能力的功能强大后处理器；能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场；自动化的设计流程，易学易用；稳定成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。使用HFSS，用户只需要创建或导入设计模型，指定模型材料属性，正确分配模型的边界条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算并输出用户需要的设计结果。 < HFSS软件拥有强大的天线设计功能，可以提供全面的天线设计解决方案，是当今天线设计最为流行的软件。使用HFSS可以仿真分析和优化设计各类天线，能够精确计算天线的各种性能，包括二维、三维远场和近场辐射方向图、天线的方向性系数、S参数、增益、轴比、输入阻抗、电压驻波比、半功率波瓣宽度以及电流分布特性等。 。