天线原理与设计—第六章口径天线和喇叭天线

天线原理与设计—第六章口径天线和喇叭天线口径天线是一种特殊的天线，其工作原理是通过改变天线口径的大小以实现方向性辐射。

喇叭天线则是一种具有喇叭形状的天线，其主要功能是对电磁波进行聚焦或分散，从而实现天线的增益和波束的调控。

本章将介绍这两种天线的基本原理和设计方法。

6.1口径天线6.1.1口径天线的基本原理口径天线的基本原理是利用天线口径的大小来控制电磁波的发射和接收方向。

根据狄拉克定理，天线辐射的功率密度与天线口径的平方成正比。

因此，通过改变天线口径的大小，可以调整天线的辐射功率和波束的方向性。

一般情况下，口径天线的口径越大，辐射功率越大，波束的方向性越好。

6.1.2口径天线的设计方法口径天线的设计方法主要包括天线口径的确定和辐射模式的设计。

天线口径的确定需要考虑到工作频率、辐射功率和波束方向等参数。

一般情况下，口径天线的口径选取为波长的几倍，以保证天线的辐射效果和方向性。

辐射模式的设计则需要根据具体的应用要求，确定天线的辐射方式和波束的形状。

6.2喇叭天线6.2.1喇叭天线的基本原理喇叭天线是一种特殊形状的天线，其主要功能是将电磁波进行聚焦或分散，从而实现天线的增益和波束的调控。

喇叭天线的基本原理是利用喇叭形状的反射面将电磁波进行反射和聚集。

喇叭天线可以分为抛物面喇叭天线和双曲面喇叭天线。

抛物面喇叭天线主要用于聚焦电磁波，而双曲面喇叭天线主要用于分散电磁波。

6.2.2喇叭天线的设计方法喇叭天线的设计方法主要包括反射面的确定和波束的调控。

反射面的确定需要考虑到工作频率、波束宽度和聚焦距离等参数。

一般情况下，抛物面喇叭天线的反射面采用抛物线形状，双曲面喇叭天线的反射面采用双曲线形状。

波束的调控则需要通过反射面的形状和尺寸来实现，一般情况下，反射面的大小越大，波束的调控能力越好。

综上所述，口径天线和喇叭天线是一种特殊的天线，其工作原理是通过改变天线口径的大小和喇叭形状来实现方向性辐射和波束的调控。

口径天线通过改变天线口径的大小来控制电磁波的发射和接收方向，而喇叭天线则通过喇叭形状的反射面将电磁波进行聚焦或分散。

天线原理与设计天线是无线通信系统中的重要组成部分，它的设计和原理对于无线通信系统的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。

本文将对天线的原理和设计进行详细的介绍，希望能够帮助读者更好地理解和应用天线技术。

首先，天线的原理是基于电磁波的辐射和接收。

在无线通信系统中，发射天线将射频信号转换成电磁波进行传输，而接收天线则将接收到的电磁波转换成射频信号进行解调。

因此，天线的设计需要考虑到频段、增益、方向性、极化等因素，以实现最佳的通信性能。

其次，天线的设计需要根据具体的应用场景和需求来进行。

不同的应用场景需要不同类型的天线，比如室内分布式系统需要采用室内覆盖天线，而室外覆盖系统则需要采用室外定向天线。

此外，天线的设计还需要考虑到信号的覆盖范围、干扰抑制、多径效应等因素，以确保通信系统的稳定性和可靠性。

在天线设计中，还需要考虑到天线的匹配和阻抗匹配问题。

天线的输入阻抗与信号源或接收机的输出阻抗需要匹配，以确保最大的信号传输效率。

因此，天线设计中需要考虑到天线的阻抗特性和匹配网络的设计，以实现最佳的匹配效果。

此外，天线的材料和结构也对其性能产生重要影响。

天线的材料选择和结构设计需要考虑到频段、环境适应性、制造成本等因素，以实现最佳的性能和成本效益。

综上所述，天线的原理和设计涉及到电磁波辐射和接收、应用场景和需求、匹配和阻抗匹配、材料和结构等多个方面。

在实际应用中，需要综合考虑这些因素，进行合理的天线设计，以实现最佳的通信性能和覆盖范围。

希望本文能够对天线的原理和设计有所帮助，也希望读者能够在实际应用中充分理解和应用天线技术，为无线通信系统的性能和覆盖范围提供有效的支持。

十二讲：口径天线（一）(唯一性定理。

等效原理。

口径问题中等效原理的应用。

均匀矩形口径。

渐削矩形口径。

)前言口径天线包含了一大类天线，它们通过口径发射电磁波。

这些天线在声学中有一些类似物：喇叭筒和抛物形话筒。

还有，人眼的瞳孔是光频电磁波的一个口径。

在射频段，口径天线的例子是喇叭，波导孔和反射器。

在UHF 及更高频率时，常用口径天线。

因为口径天线的增益按工作频率的平方增加。

为了使口径天线变得高效，方向性强，需要让口径面积不能比波长的平方小。

显然，这些天线在低频状态下是无法工作的。

另外，口径天线还有一些突出的特征：它的实时输入阻抗可以计算、可以与波导馈电相结合。

等效原理的应用促进了口径天线的分析。

这一方法可以让我们在无限远处进行辐射口径和天线的远场分析。

等效原理需要了解口径切向场部分的知识。

1、唯一性定理只要体积[]V S外的源和沿S 的边界条件不变，那么电磁场就是唯一的。

利用坡印廷定理的积分形式来证明唯一性定理：坡印廷定理说明了电磁系统的能量守恒定律。

假设一个给定源和边界条件的电磁场问题有两个解：⎪⎭⎫ ⎝⎛H E a a ,，⎪⎭⎫ ⎝⎛H E b b ,。

然后形成了不同的场：因为不同的场没有源，所以它将满足（12.1）的无源形式：由于两个场在S 处满足相同的边界条件，所以0=E δ，0=H δ。

这样我们得到：当且仅当式、成立时才正确。

如果我们假设有轻微的损耗，那么只有在体积[]V S内任意一处满足0==H E δδ时，方程（12.5）才能成立。

这样就得出了解的唯一性。

如果0=σ（物理上不存在，通常用作近似），()H E δδ,的多重解也许会在自谐振模式的结构中存在。

在开放性环境中，谐振在整个区域中是不可能存在的。

注意，当且仅当在边界的任何地方都有0=E δ或0=H δ时，唯一性定理才有效。

2、等效原理等效原理遵从唯一性定理，它构建了更简单的方法解决问题。

只要在等效问题中保持沿S 的边界条件与初始问题相同，那么[]V S外的场就是唯一的。

一、课题背景电磁喇叭天线是最简单而常用的微波天线。

它的主要优点是结构简单，馈电简便，便于控制主面波束宽度和增益，频率特性好且损耗较小。

它由波导逐渐张开来形成，其作用是加强方向性，这与声学喇叭的原理相似。

若主模TE10的矩形波导的宽边尺寸扩展而窄边尺寸不变则称为H 面扇形喇叭；若窄边尺寸扩展而宽边尺寸不变，则称为E 面扇形喇叭；若矩形波导的两边尺寸都扩展，则称为角锥喇叭。

圆锥喇叭由载TE11模的圆形波导扩展而成。

可见喇叭天线起着将波导模转换为空间波的过渡作用，因而反射小，使其输入驻波比低且频带宽。

喇叭天线广泛用做各种反射面天线和透镜天线得到馈源，也用作微波中继站的独立天线和测试天线增益的标准天线。

(1)E 面扇形喇叭 (2)H 面扇形喇叭 (3)角锥喇叭 (4)圆锥喇叭图1 几种常见的喇叭天线喇叭天线就其结构来讲可以看成两大部分构成：一是波导部分，横截面有矩形，也有圆形；二是真正的喇叭天线部分。

波导部分相当于天线中的馈线，是提供喇叭天线信号和能量的部分。

喇叭天线可视为张开的波导。

喇叭的功能是在比波导更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性能。

矩形波导中的TE10模传输到波导和喇叭的口面时，口面上的波可以作为次级源再次辐射。

普通喇叭天线结构原理图如图2所示。

图2 喇叭天线结构辐射图T次 级源次级源二、喇叭天线尺寸计算2.1、公式推算本设计需要设计一个K 波段（18GHz-26.5GHz ），用WR-42矩形波导来馈电，最大增益大于15dB 的喇叭天线。

喇叭天线波导部分可百度查阅K 波段标准矩形波导尺寸得到，矩形波导的长度可选为 1.2*λ。

典型的角锥喇叭的尺寸如下图所示。

(1)几何结构(2)X-Y 面横截面(H 面)(3)Y-Z 面横截面(E 面)图3 角锥喇叭几何关系由[1]知H R 一定，有一最佳的喇叭口径宽度h a ，并发现其近似规律为H h R a λ3=(1)同理，E R 一定，有一最佳的喇叭口径宽度h b ，并发现其近似规律为H h R λ2b =(2)由图3(b)(c)根据相似三角形原理得：h H a aR R -=1(3) hE b bR R -=1(4) 224223432383ah a hhe G a e b G aa a πλπλ=+-(5) 直接求此4次方程的根相当复杂，但可以用数值计算的软件求解也可以用试凑法求解第一种近似解为G a h λ45.0=(6)喇叭天线的欧姆损失很小，因此其方向系数就是增益即a h h e b a G 24λπ=(7)设计步骤如下：1、用试凑法解出式(5)中的h a ，取51.0=a e 。

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;蝶晰瞬遞喇渝删»»删熾蒯獅翩熾帼，加侨ffiWl XWWB a»E«W»S 删 g«»W»to IWW 珈mOB MWSttMMW2.2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。

喇叭天线设计范文喇叭天线是一种常见的天线类型，它通过产生和放大电磁波来传输和接收信号。

喇叭天线结构独特，可以提供增益和方向性，使其在许多应用中都表现出色。

在接下来的1200字以上中我们将深入探讨喇叭天线的设计原理和应用。

喇叭天线的设计原理基于天线的形状和尺寸。

它通常由一个底部进口和一个底部出口组成。

进口和出口的大小和形状决定了天线的频率和频带宽度。

进口是天线的输入段，用于接收或发射电磁波。

出口是天线的输出段，用于辐射或接收电磁波。

在进口和出口之间的区域称为导向段，用于引导电磁波。

喇叭天线的设计可以分为两个主要方面：频率响应和辐射特性。

频率响应是指天线在特定频率范围内的工作效果。

喇叭天线的频率响应主要取决于喇叭的形状和尺寸。

为了实现宽带频率响应，天线的进口和出口需要适当的增大。

进口的大小要确保信号的完整性，而出口的大小要确保信号的放大和辐射。

喇叭天线通常用于高频段的应用，例如雷达、通信和卫星通信。

辐射特性是指天线在空间中辐射或接收电磁波的能力。

喇叭天线通常具有良好的方向性，这意味着它可以将信号集中到特定的方向上。

方向性是通过喇叭的形状和导向段的长度来实现的。

较长的导向段可以提高天线的方向性，但也会减少天线的频带宽度。

因此，在设计喇叭天线时需要权衡方向性和频带宽度的需求。

喇叭天线在许多应用中都有广泛的应用。

它们常用于雷达系统中，用于探测和跟踪目标。

喇叭天线在雷达系统中提供了高增益和方向性，能够有效地检测远处的目标。

除了雷达系统，喇叭天线还广泛应用于通信和卫星通信系统中。

它们提供了较好的方向性和覆盖范围，可以实现远距离的数据传输和通信。

设计喇叭天线需要考虑多种因素，例如频率范围、增益、方向性、频带宽度、输入阻抗等。

可以使用各种电磁场模拟软件进行天线设计和分析。

这些软件可以模拟天线的电磁场分布，并提供关于天线性能的详细信息。

此外，实际的天线测试和优化也是设计过程中的重要步骤，可以通过改变天线的形状、尺寸和材料来优化天线的性能。

第六讲：喇叭天线喇叭天线：H面扇形、E面扇形、角锥喇叭喇叭天线可视为张开的波导口。

喇叭的功能是在比波导口更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性。

喇叭天线不算新天线，早在1897年就有人构造过。

为了使导行波的反射最小化，其转换区域，即介于波导的咽喉部位与自由空间的口径之间的喇叭段可制成指数率逐渐锥销。

但实用的喇叭一般都制成直线律张开。

一、H面扇形喇叭天线（一）、几何结构及坐标2D b=一段尺寸为a b ⨯的矩形波导口径沿H 面渐变，张开形成口经为1D b ⨯的喇叭—H 面扇形喇叭。

矩形波导的宽边为a ，窄边为b ，传输10TE 模，假定波导开口面上的场分布和波导内横截面上的场分布相同。

两个渐变壁的交线为Y 轴，口径法向为Z 轴，Y 与 Z 轴交O 点，口径中心为O ’点，1OO R H '=-称为面扇形喇叭的长度H H α-面扇形喇叭的半张角(二)、内场1、内场表达式假设喇叭无限长，采用圆柱坐标系(ρα，，y )，喇叭内为空气介质。

设波导传输横电模（TE 模），则内场为：(,,)(,,)(,,)(,,)(,,)y E y yE y H y H y H y αρραραρααραρρα⎧=⎪⎨=+⎪⎩ 由于H 面沿Y 向无变化，故场与Y 坐标无关，或说Y 向均匀分布。

(,,)(,)(,,)(,)y y E y E H y H ααρρραραραρα=⎧⎪⎨=⎪⎩ 在圆柱坐标系中，由Maxwell 方程可得关于内场的微分方程222222211()()0zk ρϕρρρρρϕ∂A ∂A ∂A ∂∇A =++∂∂∂∂∇+A =2柱坐标系中z 波动方程 222211()1y y y o yo E E k E Eyj H E j H ραρρρρραωμραωμρ∂∂∂=--∂∂∂∂-=∂∂-=∂ 其中，2200,k k ωεμ=为波数 可见，只需求解出y E 即可，,H H ρα由y E 求得。

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1.1所示。

图1.1 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。