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

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

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。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“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开的形状，这就是喇叭天线。普通喇叭的方向图在各个平面是不相同的，两个主平面相位中心也不重合。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。

在平行双线的传输线上为了使只有能量的传输而没有辐射，必须保证两线结构对称，线上对应点电流大小和方向相反，且两线间的距离《π。要使电磁场能有效地辐射出去，就必须破坏传输线的这种对称性，如采用把二导体成一定的角度分开，或是将其中一边去掉等方法，都能使导体对称性破坏而产生辐射。如图1-2，图中将开路传输或距离终端π/4处的导体成直状分开，此时终端导体上的电流已不是反相而是同相了，从而使该段导体在空间点的辐射场同相迭加，构成一个有效的辐射系统。这就是最简单，最基本的单元天线，称为半波对称振子天线，其特性阻抗为75Ω。电磁波从发射天线辐射出来以后，向四面传播出去，若电磁波传播的方向上放一对称振子，则在电磁波的作用下，天线振子上就会产生感应电动势。如此时天线与接收设备相连，则在接收设备输入端就会产生高频电流。这样天线就起着接收作用并将电磁波转化为高频电流，也就是说此时天线起着接收天线的作用，接收效果的好坏除了电波的强弱外还取决于天线的方向性和半边对称振子与接收设备的匹配。

图1–2 半波对称阵子天线

1.2.2天线的辐射

天线辐射球面波在以天线为核心的坐标系统的径向方向上传播。在大的距离上，球面波可以近似平面波。平面波是有用的，因为他们把问题简化了。他们不是自然的，然而，因为它们需要无限的功率。

该玻印廷矢量描述两个方向的传播和功率密度的电磁波。这是从矢量穿过产生的电场和磁场中发现的，并标注为S ：

S = E ×H* W/2m (1–1)

均方根（RMS ）值是用来表达场的重要性。H*是复杂的共轭的磁场相。磁场在远区场上是与电场成正比的。比例常数是η，自由空间中的阻抗(η = 376.73Ω)： 2

E S S η== W/2m (1–2)

因为玻印廷矢量是两个场的矢量的产物，这是正交的两个场以及三重定义了一个右手坐标系统：(E, H, S)。

考虑一对以天线为核心的同心球形。靠近天线的场减少为1/R, 1/2R ,1/3R 等等。恒指定的条件将要求功率辐射与辐距离和将不会被保存的功率一起增长。场方面的比例1/2R ,1/3R 更高，功率密度随距离减少，比面积增加的速度快。在球形里面的能源大于在球形外部的能量。这些能量不辐射，但是代替集中在天线周围，它们是近区场的条件。只有1/2R 条件的玻印廷矢量（1/R 场条件）所代表的辐射功率，因为该球形的面积的增长为2R ，并给出了一个常数的积。所有辐射功率流经部球体将传播到球形的外部。符号的输入抗依赖于近区场的场类型的优势：电气（电容式）或磁场（电感）。在共振（零抗）

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：

天线理论与设计基本概念

基本电振子(赫兹偶极子) 电基本振子是一段长度l远小于波长, 电流I等幅同相的直线电流元i(t)=I cosωt, 它是线天线的基本组成部分, 任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。 立体角： 定义：立体角是以圆锥体的顶点为球心，半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位称为“立体弧度”。和平面角的定义类似。在平面上我们定义一段弧微分S与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角记作dθ=ds/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2π；与此类似，定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角记作dΩ=ds/r^2；由此可得，闭合球面的立体角都是4π。 单位：steradian->sr=stereos+radian 球坐标系中计算：dΩ= ds /R2= ds=sin θ *d θ* dφ (sr) 辐射强度 定义：给定方向上单位立体角辐射的功率。 计算： 物理意义：反应在给定方向上辐射的大小 辐射功率： 定义： 辐射效率 定义：天线的输入功率仅有一部分转换为辐射功率，其余被天线及其附近结构所吸收。辐射效率定义为天线的辐射功率与净输入功率之比。 其中：为辐射电阻，为损耗电阻。 场强方向图： 定义：在固定距离r=r0的球面上，辐射电场强度随着角坐标的相对变化(函数)图形为场强方向图。方向图函数

作图二维平面图：○1极坐标图○2直角坐标图 功率方向图： 在固定距离r=r0的球面上，波印廷矢量的r分量随着角坐标的相对变化(函数关系)图形为功率方向图。方向图函数记为 按方向图特征的天线分类 各向同性天线：天线向各个方向均匀辐射。 方向性天线：天线在某些方向的辐射比其他方向的辐射强得多 全向天线：天线在某个平面内的辐射为无方向性，在其正交面具有方向性 波瓣： 半功率波瓣宽度： 定义：从方向图的原点过辐射强度是最大值一半(对应场强是最大值的)的点的矢量所夹的角度。（3dB波瓣宽度）。E面和H面的半功率波瓣宽度分别用2θHPE 和2θHPH表示。 第一零陷波瓣宽度： 定义：从方向图的原点与主瓣的根部相切的矢量所夹的角度。用2θ0表示 副瓣电平（SLL）： 定义：副瓣峰值与主瓣最大值之比。

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。

汽车天线设计指南(设计手册)

AAAA公司 汽车天线设计指南 工程部编制 2003年2月16日

前言 为便于公司产品设计人员设计、开发汽车天线时，在材料选择、连接方法、产品结构、配合公差和功能/性能方面，借鉴公司同类产品的经验，降低成本、减少失误，提高新产品的开发速度和质量，编制本设计指南，供公司设计人员设计、开发新产品时参考。 编者：

一、汽车天线的类型： 根据汽车天线的按装位置和结构分为： 1. 前窗隐藏式天线：这类天线按装在前窗的左侧上方，天线座按前窗的倾斜角度设置天线杆的倾斜角度，天线杆可全部缩进线座上的天线杆护管内。天线杆大多数是φ 2.5-3mm的不锈钢丝，也有部分是二节拉杆式的。 这类天线设计开发时，除考虑性能/功能、连接方法符合常规汽车天线的技术要求外：（见常规汽车天线的技术要求）a．必须根据顾客车身天线按装孔的中心距、偏移角度和天线的倾斜角度及车壳弧度，设计天线座的按装孔中心距、偏移角度、天线的倾斜角度和天线座底面弧度。保证天 线的可装配性。 b．根据整车厂的装配要求，线座垫片和线座的装配连接方法，必须设计为卡口装配，避免垫片和线座分离影响装 配速度。 c．选用合格的线座注塑材料，避免天线座开裂和老化（常用PP/PA）。 d．根据顾客的要求，选择合适的同轴电缆线，使天线的阻抗很好地与收音机的输出阻抗匹配。 2．前窗拉杆式天线： 这类天线按装在汽车前窗左侧下方，基本上都是拉杆式的，天线座与车身的接触面积很小，用自攻螺钉按装不需考虑

线座的底面弧度，只需考虑支架的中心高符合天线按装要求。 这类天线设计时除选择好外壳和支架的材料外，其它只要能满足常规汽车天线的技术要求。 3．前后侧板式隐藏天线： 这类天线按装在汽车上的前后侧板上，按装时只要拧紧线座上的螺母和支架上的螺钉。 这类天线设计时除需考虑满足常规汽车天线的技术要求外： a．必须考虑饰配件和基座与车身接触部位的弧面和车身弧面吻合。 b．必须考虑天线杆缩进护管内的终点位置，确保天线缩进天线护管后，天线帽堵住线座正极管口。 4．车顶天线： 这类天线一般都是轿车天线，按装在汽车顶棚的前侧/后侧。按装方法都是用固定在天线基座/斜座上的螺栓插进车壳孔内用螺母固定。定位方法有两种，一种是基座螺栓根部□14.7mm的方身定位，另一种是基座上除螺栓外，还在一定的距离内设置了一柱子和车身上的两个孔对应来固定天线的方向。 这类天线设计时除考虑满足常规汽车天线的技术要求外：a．按顾客车身按装孔的形状，设计基座螺栓的结构或螺栓与定位柱之间的距离。

天线原理与设计习题集解答_第8_11章

第八章口径天线的理论基础 (8-1) 简述分析口径天线辐射场的基本方法。 答：把求解口径天线在远区的电场问题分为两部分： ①. 天线的内部问题； ②. 天线的外部问题； 通过界面上的边界条件相互联系。 近似求解内部问题时，通常把条件理想化，然后把理想条件下得到的解直接地或加以修正后作为实际情况下的近似解。这样它就变成了一个与外部问题无关的独立的问题了。 外部问题的求解主要有： 辅助源法、矢量法，这两种是严格的求解方法； 等效法、惠更斯原理法、几何光学法、几何绕射法，这些都是近似方法。(8-2) 试述几何光学的基本内容及其在口径天线设计中的应用。 答：在均匀的媒质中，几何光学假设能量沿着射线传播，而且传播的波前（等相位面）处处垂直于射线，同时假设没有射线的区域就没有能量。 在均匀媒质中，射线为直线，当在两种媒质的分界面上或不均匀媒质传播时，便发生反射和折射，而且完全服从光的反射、折射定律。 B A l nds =? 光程长度： 在任何两个给定的波前之间，沿所有射线路径的光程长度必须相等，这就是光程定律。'' PdA P dA = 应用： ①. 可对一个完全聚焦的点源馈电的天线系统，求出它在给定馈源功率方向图 为P(φ,ξ)时，天线口径面上的相对功率分布。 ②. 对于完全聚焦的线源馈电抛物柱面天线系统，口径上的相对功率分布也可 用同样类似的方法求解。 (8-3) 试利用惠更斯原理推证口径天线的远区场表达式。 解：惠更斯元产生的场： (1cos) 2 SP j r S SP jE dE e r β θ λ -? =?+? ? 2 2 2) ( ) (z y y x x r S S SP + - + - =r , r sp>>D (最大的一边) 推广到球坐标系： sin cos sin sin cos x r y r z r θφ θφ θ =? ? ? =? ? ?= ? r= , S S x y r << Q

天线设计

5. 2.4G PCB 天线设计 本节主要讨论的是2.4G PCB 天线，如果不考虑成本及体积，可以选用其它天线，如贴片天 线（小尺寸、中性能、中成本）或外置的鞭状天线（大尺寸、高性能、高成本），而PCB 天线是最低成本、中等尺寸，只要设计得当又能获得足够性能的天线。 本节中包括三种天线： ◆ 超小型PIFA 天线：用于Nano Dongle 的PCB 天线，由于PCB 空间受限，最大增益会 比其它几种天线小6dB 左右，即工作距离会短一半。由此天线及MCU 做成的完整板子大小为11mm*18mm 左右。 ◆ 正常PIFA 天线：用于Normal Module 的PCB 天线，所占PCB 空间最大，最大增益可 以达到1.5dB ，如PCB 面积足够，建议用此天线。由此天线做成的RF Module 板子大小为15mm*18mm 左右。 ◆ 正常Wiggle 天线：用于Normal Module 的PCB 天线，所占PCB 空间比第二种稍小， 增益也稍差1dB ，可以用于对体积稍有要求的无线终端，如对于空间比较紧凑的无线鼠标等设备。由此天线做成的RF Module 板子大小为13mm*18mm 左右。 5.1. 小尺寸Nano Dongle 用PIFA 天线设计 天线具体尺寸如下图（板材为两层FR4,板厚0.6mm ）： 其中天线线宽A ：0.15mm ；B ：0.25mm ；C ： 0.4mm 图表11 Nano Dongle PIFA 天线

天线性能S11如下，工作频段覆盖整个2.4G ISM 频段 : 图表12 Nano Dongle PIFA 天线S11 2D 和3D 增益如下，该天线最大增益只有－5dB 左右:

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+=+=-- （）

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

天线设计(改)

折叠分支结构三频平面倒F天线(PIFA)设计 S1008006 徐丽 1.PIFA天线简介 天线分为内置与外置，外置主要使用螺旋或者PCB，螺旋天线一般带宽比较好也比较常用，PCB 天线比较容易调频率易于设计，但爱立信有两项重要专利，所以在欧美市场上很少其他厂商使用。还有一种假内置天线，其实就是外置天线的内置，性能相对比较差，一般不推荐使用。内置天线而言，主要是PIFA与MONOPOLE天线。 平面倒F天线(PIFA)因其具有尺寸小，重量轻且后向辐射小等优点而成为目前内置天线的主要形式。PIFA的结构示意图如下： 图1 PIFA结构示意图 PIFA的演变过程可以从技术和理论两个不同的方面考虑。从技术方面来说，它是由单极天线演变而来；从理论方面，PIFA可以由微带天线理论发展而来。下面详细介绍。 1)由单极天线演变而来 传统的手机天线一般是单极或偶极天线，制作简单，但尺寸较大不易共形。将单极子折倒形成倒L天线。倒L天线剖面较低，也有着比较好的全向辐射特性。但由于将振子折倒从而形成了对地电容分量，其输人阻抗呈现低阻值高阻抗的特性，难以进行阻抗匹配。为了平衡倒L天线由于振子折倒而形成的对地容抗分量，在振子弯折处加载短路结构。该短路结构所具有的感性分量补偿振子弯折所形成的对地容性分量，从而在不改变天线谐振频率的同时，达到变换阻抗的目的。但是由于线形倒F天线频带窄，通常不到中心频率的百分之一，为了展宽频带，用平板结构来代替导线部分。由于平面部分相当于许多线形天线阻抗的并联，因此平面型天线比线形天线的输入阻抗要低一些，产生了宽带的谐振特性。从而形成了平面倒F天线。上述内容可用图2生动表示：

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）

蓝牙天线设计

蓝牙天线设计 目前最常见的蓝牙天线有偶极天线（dipole antenna）,倒 F 型天线（planar inverted F anternna）、曲流线型天线（meander line antenna）、微小型陶瓷天线（ceramic antenna）、液晶聚合体天线（lcp）和棒状天线（2.4G 频率专用）等。由于这些具有近似全向性的辐射场型以及结构简单、制作成本低的优点，所以非常适合嵌入蓝牙技术装置使用。下面主要介绍 4 种天线的设计方法。 1、倒F 型天线 倒F型天线是由于其结构与倒置的英文字母 F 相似而得名。如下 图 1 所示。其中（L+H）只有四分之一波长，而且在其结构中已经包含有接触地金属面，可以降低对模块中接地金属米难的敏感度，所以非常适合用在蓝牙模块装置中。另外一方面，由于倒 F 型天线只需要利用金属导体配合适当的馈线及天线短路到接地面的位置，故其制作成本低，而且可以直接与pcb电路板焊接在一起，一体化设计。 倒 F 型天线的天线体可以为线状或者片状，若以金属片制作则可以 为SMD（suerface-mountde device）组件焊接在电路板上达到隐藏天线的目的。此时为了支撑金属片不与接地金属面产生短路，通常会在金属片与接地面之间加入绝缘介质。当使用介电常数较高的绝缘材料还可以缩小蓝牙天线尺寸。

图 2 给出了倒 F 型天线的pcb设计封装参数。作为板载天线的一种，倒 F 型天线设计成本低但是增加了一定的体积，但是实际应用中是最长见一的一种。 倒 F 型天线是1/4 波长天线，除去其天线接入点外，其外轮廓 为L 形状。图 2 中蓝牙天线接入点与蓝牙芯片的天线引脚相连接，外轮廓L 型短边接地，天线接入点介于地和天线开放端之间。板载F型天线一般放在pcb 顶层，铺地一般放在顶层并位于天线附近，但天线周围务必不能放置地，周围应是净空区。图 3 给出了倒 F 型天线在PROTEL 中制作成板载天线的应用示范：

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 1.23 a 4.3 b 2.15 wlength 5*length a1 20.5 b1 15.18 plength 22.47 3、设计建模 (1)创建喇叭模型 ①创建z=0的矩形面Horn Rectangle，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Aperture Rectangle，Name：Aperture Position：(-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: 0.3 ②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。(6)设置端口激励 在同轴线上设置Lumped Port端口激励，负载阻抗50ohm，积分线从内导体到外导体。 (7)设置辐射边界（XY平面） Box，Name: AirBox，透明：0.8，Mat：vacuum; Position：(-a1/2-length, -b1/2-length, -wlength-length), XSize: a1+2*length , YSize: b1+2*length, ZSize: wlength+plength+2*length 设置AirBox为辐射边界 4、设置求解设置 (1)Add Solution Setup 中心频率2.4G，自适应网格剖分最大迭代次数20，收敛误差0.02，有限元基函数Second Order（在Option选项卡中）。 (2)频率扫描，Sweep Type：Fast ，Start：1.7G，Stop： 2.6G，Step：0.1 5、运行仿真 6、查看天线性能 Phi=0°，即xz平面（E面）的辐射特性（Gain） Phi=90°，即yz平面（H面）的辐射特性（Gain） 三维辐射特性 S11

微带天线设计

微带天线设计 天线大体可分为线天线和口径天线两类。 移动通信用的VHF 、UHF 天线，大多是以对称振 子为基础而发展的各种型式的线天线，卫星地面站接收卫星信号大多用抛物面天线（口径 天线）。 天线的特征与天线的形状、大小及构成材料有关。天线的大小一般以天线发射或接收电磁波的波长l 来计量。因为工作于波长l = 2m 的长为1m 的偶极子天线的辐射特性与工作于波长l = 2cm 的长为1cm 的偶极子天线是相同的。 与天线方向性有关参数：方向性函数或方向图 离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式，称为天线的方向性函数； 把方向性函数用图形表示出来，就是方向图。 最大辐射波束通常称为方向图的主瓣。主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。 为了方便对各种天线的方向图进行比较，就需要规定一些表示方向图特性的参数，这些参数有： 1．天线增益G （或方向性GD ）、波束宽度（或主瓣宽度）、旁瓣电平等。 2．天线效率 3．极化特性 4．频带宽度 5．输入阻抗

天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。它是被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与被研究天线具有同等输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比。 天线方向性GD与天线增益G类似但与天线增益定义略有不同。 因为天线总有损耗，天线辐射功率比馈入功率总要小一些，所以天线增益总要比天线方向性小一些。 理想天线能把全部馈入天线的功率限制在某一立体角ΩB内辐射出去，且在ΩB立体角内均匀分布。这种情况下天线增益与天线方向性相等。 理想的天线辐射波束立体角ΩB及波束宽度θB 实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中，在一个波束内也非均匀分布。在波束中心辐射强度最大，偏离波束中心，辐射强度减小。辐射强度减小到3db时的立体角即定义为ΩB。波束宽度θB与立体角ΩB关系为 旁瓣电平

天线原理与设计作业

天线原理与设计习题集 第一章 天线的方向图 1．如图1为一元天线，电流矩为Idz ，其矢量磁位A 表 示为r j 0r 4Idz ?βπμ-=e z A ，试求解元天线的远区辐射电磁场?θH E ,。 2．已知球面波函数r e r j /βψ-=，试证其满足波动方程：022=+?ψβψ 3．如图2所示为两副长度为λ= 2的对称线天线，其上的电流分别为均匀分布和三角形分布，试采用元天线辐射场的叠加原理，导出两天线的远区辐射场?θH E ,，方向图函数),(?θf 和归一化方向图函数),(?θF ，并分别画出它们在yoz 平面和xoy 平面内的方向图的示意图。 4．有一对称振子长度为 2，其上电流分布为：|)|(sin )(z I z I m -= β试导出： (1) 远区辐射场?θH E ,; (2) 方向图函数),(?θf ； (3) 半波天线(2/2λ= )的归一化方向图函数),(?θF ，并分别画出其E 面 和H 面内的方向图示意图。 (4) 若对称振子沿y 轴放置，导出其远区场H E ,表达式和E 面、H 面方向图 函数。 5．有一长度为2/λ= 的直导线，其上电流分布为z j e I z I β-=0)(，试求该天线的方向图函数),(?θF ，并画出其极坐标图。 6．利用方向性系数的计算公式: ??=ππ? θθ?θπ 20 2 sin ),(4d d F D 计算：(1) 元天线的方向性系数； (2) 归一化方向图函数为 ?? ?≤≤≤≤=其它,0 0,2/,csc ),(0 0??πθθθ?θ F 的天线方向性系数。

(3) 归一化方向图函数为：???≤≤≤≤=其它,0 20,2/0,cos ),(π ?πθθ?θn F n=1和2时的天线方向性系数。 7．如图3所示为二元半波振子阵，两单元的馈电电流关系为/212j I I e π=，要求导出二元阵的方向图函数),(?θT f ，并画出E 面(xoy 面)方向图的示意图。 8．有三付对称半波振子平行排列在一直线上,相邻振子间距为d ，如图4所示。 (1) 若各振子上的电流幅度相等，相位分别为 ββ,0,-时，求E 面和H 面方向图函数。 (2) 若4/λ=d ，各振子电流幅度关系为1:2:1，相 位关系为2/,0,2/ππ-时，试画出三元阵的E 面和H 面方向图。 9. 由四个元天线组成的方阵，其排列如图5所示。每个单元到阵中心的距离为8/3λ，各单元的馈电幅度相等，单元1和2同相，单元3和4同相但与1和2反相。试导出该四元阵的方向图函数及阵因子，并草绘该阵列xoy 平面内的方向图。 10. 设地面为无限大理想导电平面。图6所示为由等幅同相馈电的半波振子组成的水平和垂直二元阵，试求其E 面方向图函数，并画出E 面方向图。 11．一半波对称振子水平架设在理想导电平面上，架设高度为h 。试分别画出λλλ5.0,3.0,25.0=h 三种情况下的E 面和H 面方向图，并比较所得结果。 12．由长为4/λ= 的单极天线组成的八元天线阵如图7所示，各单元垂直于地面，排成2行4列的阵列，列间距为2/λ，行间距为4/λ。每个单元天线为等幅馈电，而相位配置由图中标出。试利用方向图相乘原理，绘出H 面方向图。

蓝牙天线设计

蓝牙天线设计

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蓝牙天线设计 目前最常见的蓝牙天线有偶极天线（dipole anｔennａ）,倒Ｆ型天线(planar ｉnveｒted F aｎterｎｎa)、曲流线型天线（meaｎder lｉne antenna）、微小型陶瓷天线(ceｒamic aｎtenna)、液晶聚合体天线（lcｐ)和棒状天线(2.4Ｇ频率专用)等。由于这些具有近似全向性的辐射场型以及结构简单、制作成本低的优点，所以非常适合嵌入蓝牙技术装置使用。下面主要介绍 4 种天线的设计方法。 1、倒F 型天线 倒F型天线是由于其结构与倒置的英文字母 F 相似而得名。如下 图 1 所示。其中（Ｌ+Ｈ)只有四分之一波长,而且在其结构中已经包含有接触地金属面,可以降低对模块中接地金属米难的敏感度,所以非常适合用在蓝牙模块装置中。另外一方面,由于倒 F 型天线只需要利用金属导体配合适当的馈线及天线短路到接地面的位置,故其制作成本低,而且可以直接与pcb电路板焊 接在一起,一体化设计。 倒 F 型天线的天线体可以为线状或者片状,若以金属片制作则可以为ＳMD(sｕerfaｃe-mounｔde device）组件焊接在电路板上达到隐藏天线的目的。此时为了支撑金属片不与接地金属面产生短路,通常会在金属片与接地面之间加入绝缘介质。当使用介电常数较高的绝缘材料还可以缩小蓝牙天线尺寸。 图 2 给出了倒 F 型天线的pｃｂ设计封装参数。作为板载天线的一种，倒 F 型天线设计成本低但是增加了一定的体积，但是实际应用中是最长见一的一种。

2.45GHz端射天线的设计与实现

本科毕业设计（论文）说明书2.45GHz端射天线的设计与实现 学院电子信息工程学院 专业班级10通信工程（3班） 学生廖永亮 学生学号 1 指导教师全琪

提交日期二〇一四年五月五日

华南理工大学学院 学位论文原创性声明 本人重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全了解华南理工大学学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照有关要求提交学位论文的印刷本和电子版本；华南理工大学学院图书馆有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用复印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，可以公布论文的部分或全部容。 学位论文作者签名：日期：年月日 指导教师签名：日期：年月日 作者联系：电子：

摘要 天线，众所周知，是通信电路中用来发送信号和接收信号的关键元器件和组成部分。世界上第一个天线系统是由德国的卡尔斯鲁厄工学院的赫兹教授在1886年建立的，今天来看其当时建立的天线系统是一套完整的米波波长的无线电系统，这套系统的发射天线是终端加载的偶极子天线，接收天线是谐振方环天线。如今，随着通信行业的发展，各种各样的天线出现在各个领域，由于微带贴片天线尺寸小，制作简单的特点，在个人通信等领域得到了极其广泛的应用，而微带天线作为一款应用广泛的天线，被应用到我们生活的各个方面。它具有很多优点，比如体积小，易于集成，重量轻，并且相对来说，制造成本很低，这样有利于批量生产。 在雷达探测系统中，要求接收与发射信号的天线阵列具备良好的空气动力学特性的同时，还要更好的与载体共形。端射天线以其独特的方向图特性解决了雷达“盲区”问题。和其他天线相比，端射天线增益高、定向性好。无论是在民用还是在军用设备上，端射天线成为天线领域的一个研究热点。 本文中，我们利用HFSS软件进行仿真，采用八木天线结构，在此基础上我们提出了一款紧凑型工作于2.45GHz的端射天线的设计，同时，对天线的各个参数的优化仿真，贴片天线的长宽，让天线达到我们所需要的功能特性。 我们首先介绍了微带天线的一些基本原理，包括天线的基本参量，天线效率、天线辐射特性以及天线增益，功率密度、输入阻抗等等。然后在Ansoft HFSS13中创建了一个谐振频率在2.45Hz的端射天线，得出了S11反射系数和增益图等等。 关键词：端射天线；八木天线；HFSS

高效宽带喇叭天线的设计

高效宽带喇叭天线的设计 丁晓磊 (中国航天科技集团公司704所，北京100076) dxiaolei@https://www.wendangku.net/doc/7e13073688.html, 摘要为满足电磁兼容测试对小体积、宽频带和高增益天线的需求，结合宽频带天线的工作原理，设计了一种结构紧凑的局部加脊宽带喇叭天线。和相同尺寸的普通加脊喇叭天线相比，增益提高约1-3dB。 关键词加脊喇叭、宽频带、高效率 The Design of High Efficient Broadband Horn Antenna DING XIAO LEI (Institute of No.704, China Aerospace Science and Technology Corporation, Beijing 100076,China) Abstract: The paper presents a horn antenna with ridges located at the start of flare. In addition to the broad bandwidth, a substantial increase in antenna gain over that of common ridged horn has been achieved for the design in this paper. The designed antenna can be used not only for electromagnetic compatibility measurement but also for broad-band communication system. Keywords: ridged horn , broadband , high efficiency 1 引言 常见的宽带天线包括：加脊喇叭天线、TEM喇叭天线、对数周期天线、螺旋天线、Vivaldi天线等。加脊喇叭因其具有频带宽、结构紧凑、辐射口径稳定的特点，是电磁兼容测试的理想天线。 加脊喇叭天线的设计方法和理论分析都有较多的文献报道，但对于在缩短天线轴向长度的同时提高天线增益的设计方法还未见报道。众所周知，一般的加脊喇叭天线的脊都是从馈电点延伸到辐射口面，由于辐射口径内脊结构的二次效应，其增益一般比相同口径的普通光壁喇叭的增益低1-3dB。为满足实际应用时对小体积、宽频带和高增益天线的需求，结合宽频带天线的工作原理和常见加脊喇叭天线的缺点，本文设计了一种结构紧凑的高效宽频带天线。其剖面图如图1所示。和相同频带、相同增益的普通加脊喇叭天线相比，该天线具有体积小、重量轻的优点。 图1 局部加脊喇叭天线结构示意图 2 设计原理 根据宽频带天线的工作原理，要实现天线的宽频带工作必须满足输入端的宽频带阻抗匹配和辐射性能的宽频带特性。借鉴普通加脊喇叭天线的设计思路，本文设计的天线通过同轴到双脊波导的变换实现信号能量的馈入，通过脊曲线和喇叭参数的优化设计实现脊波导到辐射喇叭阻抗的平滑匹配

倒F天线设计

引言 蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般是1Om之内)的无线电技术，能在设备之间进行无线信息交换，其工作频段是～GHz的全球通信自由频段，目前已广泛应用在移动通信设备中。天线是蓝牙无线系统中用来传送与接收电磁波能量的重要必备组件。由于目前技术尚无法将天线整合至半导体芯片中，故在蓝牙模块里除了核心的系统芯片外，天线是另一个影响蓝牙模块传输特性的关键性组件。本文给出了一款倒F型天线的设计，该天线尺寸小，设计简约，制造成本低，工作效率高，适用于蓝牙系统应用。 1天线设计 倒F型天线是上世纪末发展起来的一种天线，具有结构简单、重量轻、可共形、制造成本低、辐射效率高、容易实现多频段工作等独特优点，因此，近几年来，倒F型天线得到了广泛的应用研究和发展。 倒F天线是在倒L天线abc的垂直元末端加上一个倒L结构edb构成。它使用附加的edb结构来调整天线和馈电同轴线的匹配。该天线具有低轮廓结构，辐射场具有水平和垂直两种极化，另外由于结构紧凑而且具有等方向辐射特性，同时其良好的接地设计可以有效提高天线的工作效率。图1所示是典型的倒F型天线结构图，该天线可以看作是e端短路，a端开路的谐振器，所以，a 端电压最大，电流为零，e端电压为零，电流最大。由于倒F天线的结构中包含了接地的金属面，可以降低对射频模块中接地金属面的敏感度，因此非常适合用于片上系统。另外，由于倒F天线只需利用金属导体配合适当的馈线来调整天线短路端到接地面的位置，因而制作成本较低，可以直接与PCB电路板焊接在一起。图2所示为倒F型天线在电路板上的布置图。 倒F型天线在电路板上的xx 2测量基本原理 图3所示是一个网络分析仪的原理框图。在对倒F天线进行测量时，先由仪器发出扫频信号，并将该信号通过输出口送到被测设备，当信号通过设备后，再送回网络分析仪。

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。 。