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1、第六章 喇叭天线的设计与分析,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。,喇叭天线由逐渐张开的波导构成。如图61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61中，图(a)保持了矩形波导的窄边尺寸不变，
2、逐渐展开宽边而得到H面扇形喇叭（H-Plane Sector Horn）； 图(b)保持了矩形波导的宽边尺寸不变，逐渐展开窄边而得到E面扇形喇叭（EPlane Sector Horn）；,图(c)为矩形波导的宽边和窄边同时展开而得到角锥喇叭（Pyramidal Horn）； 图(d)为圆波导逐渐展开形成的圆锥喇叭。由于喇叭天线是反射面天线的常用馈源，它的性能直接影响反射面天线的整体性能，因此喇叭天线还有很多其它的改进型。,图61 普通喇叭天线 (a)H面喇叭；(b)E面喇叭 (c)角锥喇叭；(d)圆锥喇叭,E方向,沿垂直于E的H面张开,沿电场E的平面张开,同时沿E和H平面张开的矩形喇叭，也称之
3、为棱锥喇叭,圆锥形喇叭，受圆波导中TE11模的激励，喇叭口径上的电场分布用箭头标于图中,6.1 矩形喇叭天线 一、矩形喇叭天线的口径场与方向图 喇叭天线可以作为口径天线来处理。 图62显示了角锥喇叭的尺寸和坐标。图中，LE、LH分别为E面和H面长度;a、b为波导的宽边和窄边尺寸;ah、bh为相应的口径尺寸。 LELH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。,图 62,在忽略波导连接处及喇叭口径处的反射及假设矩形波导内只传输TE10模式
4、的条件下，喇叭内场结构可以近似看作与波导的内场结构相同，只是因为喇叭是逐渐张开的，所以扇形喇叭内传输的为柱面波，尖顶角锥喇叭内传输的近似为球面波;因此在一级近似的条件下，喇叭口径上场的相位分布为平方律，角锥喇叭口径场为,（61）,口径场的最大相位偏移发生在口径顶角，其值为,（62）,有了口径场的表达式，根据式（63）和（64）就可以分别计算角锥喇叭的E面和H面的辐射场。尽管写出其解析表达式比较困难，但是却可以依靠计算软件求出数值解,画出方向图。,图63和64分别计算了角锥喇叭的通用E面和H面方向图，图中的参数s、t反映了喇叭口径的E、H面的相位偏移的严重程度。s、t越大，相位偏移越严重，方向图
5、上零点消失，主瓣变宽，甚至=0方向不再是最大辐射方向，呈现出马鞍形状态，而这是不希望看到的。,图63 E面喇叭和角锥喇叭的通用E面方向图,图64 H面喇叭和角锥喇叭的通用H面方向图,为了获得较好的方向图，工程上通常规定E面允许的最大相差为,H面允许的最大相差为,（63）,（64）,由于H面的口径场为余弦分布，边缘场幅小，所以 mH可大于mE。,二、矩形喇叭的方向性系数与最佳喇叭 喇叭天线的方向系数也可以根据式（68）数值计算出。 图65和66分别计算了E面和H面喇叭的方向系数。从图中可以看出，在喇叭长度一定的条件下，起初增大口径尺寸可以增大口径面积，进而增大了方向系数，但是当口径尺寸增大到超过
6、某定值后，继续再增大口径尺寸，方向系数反而减小。 这表明扇形喇叭存在着最佳喇叭尺寸(LE,bhopt)(LH,ahopt)，对于此尺寸，可以得到最大的方向系数。实际上，最佳尺寸即为E面和H面分别允许的最大相差尺寸：,（65）,（66）,图 65,图 66,满足最佳尺寸的喇叭称为最佳喇叭。此时最佳E面扇形喇叭的E面主瓣宽度为,（67）,而其H面主瓣宽度仍然如表61所示， 即 。最佳H面扇形喇叭的H面主瓣宽度为,（68）,而其E面主瓣宽度也仍然如表61所示，即 。,最佳扇形喇叭的面积利用系数=0.64，所以其方向系数为,（69）,角锥喇叭的最佳尺寸就是其E面扇形和H面扇形都取最佳尺寸，其面积利用系
7、数=0.51，其方向系数为,（610）,设计喇叭天线时，首先应根据工作带宽，选择合适的波导尺寸。如果给定了方向系数，则应根据方向系数曲线，将喇叭天线设计成最佳喇叭。 对于角锥喇叭，还必须做到喇叭与波导在颈部的尺寸配合。由图67知，必须使RE=RH=R，于是由几何关系可得,（611）,若所选择的喇叭尺寸不满足上式，则应加以调整。,图67 角锥喇叭的尺寸,二、矩形喇叭天线的设计与分析,设计要求和初始尺寸 设计一个S频段（1.55GHz3.4GHz）最佳增益矩形喇叭天线，其在2.4GHz时的增益要大于19dB，喇叭用WR430矩形波导来馈电，其尺寸a=4.30in、b=2.15in，激励信号由特性阻
8、抗为50欧姆的同轴线导入。,先将增益由分贝值转换为无量纲值， 19dB的增益转换成无量纲值约为79.4。 2.4GHz工作频率对应的波长为4.92in。 将增益的表达式代入 得到a1=20.50in； 将增益和波长代入： 得到b1=15.18in；Re=22.47in。,在设计中，波导长度取5/4波长；同轴线馈电点位于波导宽边中心，馈电点和波导底测短路板之间的距离为1/4波长，同轴线的外导体与波导的侧壁相连接，内导体从波导宽边中心处插入到波导内部场强最大处，形成电场激励方式。 同轴线的外导体圆半径为0.06in，外导体长度为0.3in；内导体半径为0.025in，内导体在波导内的长度是波导窄边
9、长度的一半，即b/2.,喇叭天线的尺寸和变量定义,（二）HFSS仿真设计,1.新建设计工程 文件名存为Horn.hfss 设置求解类型：Driven modal 设置模型长度单位：in 2.添加和定义设计变量 在主菜单栏中选择HFSS-Design Properties，打开设计属性对话框，单击add按钮，打开add Properties 对话框，进行变量添加。,3.设计建模 创建喇叭模型 分别在z=0和z=plength的平面上创建大小为a*b和a1*b1的平面，平面的中心都位于z轴上，然后选中这两个平面，执行modular-surface-connect命令，生成喇叭模型。 （1）在z=0
10、的平面上创建一个中心位于坐标原点，长度和宽度分别为变量a和b的矩形面，并将其命名为Horn。 确定Horn的位置和大小。,（2）在z=plength的平面上创建一个中心位于z轴，长度和宽度分别为变量a1和b1的矩形面，并将其命名为Aperture。 确定Aperture的位置和大小。 （3）通过Connect命令生成喇叭模型。 按住ctrl键，先后依次单击矩形面Horn和Aperture，同时选中这两个矩形面。 然后从主菜单中选择Modeler-Surface-connect命令，这样得到喇叭模型。该模型名称为Horn，透明度为0.4，材质为vacuum。,创建WR430波导 创建一个长方体模
11、型用以表示WR430波导。该模型与喇叭的底部相接，其长、宽、高分别用前面定义的变量a、b和wlength表示，并将其命名为WR430.,先draw-box，然后在节点下双击box1，按下图操作。,设置WR430的位置和大小。如上图所示。,创建同轴馈线 同轴线馈电点放置于波导宽边中心线上，其与底侧短路板的距离为1/4波长，同轴线外导体与波导的外侧壁相接触。外导体圆半径为0.06in，外导体长度为0.3in；同轴线内导体半径为0.025in，内导体在波导内的长度为波导窄边长度的一半b/2.在此创建两个圆柱体模型，用来表示同轴线的外导体和内导体。 （1）创建同轴线的外导体 首先单击工具栏的XY下拉列
12、表框，选中ZX选项，将当前绘图平面设置为xz平面，然后draw-cylinder，创建圆柱体。,（2）创建同轴线的内导体 首先单击工具栏的XY下拉列表框，选中ZX选项，将当前绘图平面设置为xz平面，然后draw-cylinder，创建圆柱体。,设置内导体的位置和大小,布尔操作 上述模型建好之后，使用布尔操作生成最终的矩形口径喇叭天线模型。 （1）执行合并操作，将Horn、WR430、outer三个物体模型合并成一个完整的模型。 按住ctrl键，在操作历史树下按先后顺序单击Horn、WR430、outer同时选中这三个物体，然后选择主菜单栏上Modeler-Boolean-unite。新生成的物
13、体为Horn。 （2）执行相减操作，消除horn和inner两个模型的重叠部分。 按住ctrl键，在操作历史树下按先后顺序单击Horn和inner，然后选择主菜单栏上Modeler-Boolean-subtract。新生成的物体为Horn。,执行相减操作如下图。,把喇叭天线的外表面设置为理想导体边界条件 因为喇叭天线的各个臂都是金属材质的，所以我们这里需要把喇叭天线模型外侧表面都设置为Perfect E。其中，喇叭的口径面、同轴线端口面和同轴线内表面不需要设置为理想导体边界条件。 在三维模型窗口中单击鼠标右键， 在弹出的快捷菜单中选择select faces选项，进入选择物体表面状 态。,从主
14、菜单栏中选择edit-select- by name，打开如图所示对话框， 按住ctrl键，在face id列表框中同 时选中除去喇叭口径面、同轴线 端口面和同轴线内表面对应的名 称（Face 110，161，177），然 后单击ok按钮，退出对话框。 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。,设置端口激励 把同轴线的端口面设置为负载阻抗为50欧姆的集总端口激励。 放大显示同轴线端口面，并选中该端口面，如下图所示。,在选中的同轴线端口面上单击右键，
15、在弹出的菜单中选择lumped port，如图所示。,在端口名中输入p1，阻抗为50欧姆，如图所示。 单击“下一步”,在打开的对话框中单击integration line 项下边的none，在其下拉列表中选项new line选项，设集总端口的积分校准线。,积分校准线的起始点在同轴线的内导体边界上，终止点在同轴线的外导体边界上。这里借助鼠标捕捉功能，在同轴线内导体边界附近移动鼠标指针，当鼠标指针变成一个大正方形时（如右图所示）表示捕捉到了内导体边界棱边的最上侧顶点，单击鼠标左键确认。 然后移动鼠标指针到外导体边界附件，当鼠标指针再次变成一个正方形时，再次鼠标左键确认，单击下一步。,设置辐射边界条
16、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。 （1）将当前绘图平面设置为xy平面； （2）draw box，将box1命名为Airbox，透明度设置为0.8. 设置airbox 的大小和中心位置 位置坐标（-a/2-length,-b/2-length,-wlength-length） Xsize a1+2*length Ysize b1+2*length Zsize wlength+plength+2*length,长方体模型建好之后，选中该模型，并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-Radiation命令，打开一个新的对话框，保留该对话框的默认设置不变，直接单击ok按钮，将长方体模型airbox的表面设置为辐射边界条件。,求解设置 天线的中心工
