喇叭天线仿真设计
(1)喇叭天线简介
天线的基本功能是发射和接收无线电波。选择天线性能有两个方面，第一选择天线类型；第二选择天线的电气性能。选择天线类型的意义是：所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求；选择天线电气性能的要求是：选择天线的频率带宽、增益等电气
指标是否符合系统设计要求。天线的参数主要有以下方面口2】：
1)天线方向图
天线向一定方向集中辐射电磁波的能力，称为天线的方向性。在一定条件下，天线的方向性越good，能量的辐射越集中，探测距离越远，分辨能力越good。天线的方向性，通常用方向图来表示。天线的方向图是表示离开天线等距离而不同方向的空间点辐射场good的变化图形。由于天线的定向辐射性，在距天线等距离的球面上点的辐射场good并不相等。方向图可以画成直角坐标形式，也可以画成坐标形式。一般坐标表示法较直观，适用于波瓣较宽的方向图。直角坐标表示法可以灵活选择坐标的刻度大小，因而有较高的好性，适用于绘制波瓣窄的good方向性天线的方向图。天线方向图呈花瓣状，因此又称为波瓣图，很大辐射方向的瓣称为主瓣，其它方向的
瓣称为副瓣，天线的方向性常用波瓣宽度(或波束张角)和副瓣电平表示。波瓣宽度一般指的是方向图的主瓣上两个半功率(场good为O．707)方向之间的夹角，天线辐射的电磁能量主要集中在这个范围。副瓣电平是指副瓣很大值和主瓣很大值之比(或其分贝值之差)。天线的副瓣不但分散了辐射功率，而且对于接收天线来说，还容易引入外界的噪声，因此要求天线的副瓣电平尽可能小。
2)天线的方向系数、效率和增益
有了天线的方向图后，用一个参数来表示很大辐射方向能量的集中程度，以便定量地比较不同天线的方向性，这个参数就是方向系数D。方向系数的定义是：在相同辐射功率下，有方向性天线在很大辐射方向的远区点的功率密度Pr。与无方向性天线在同一点的功
率密度P0之比，即D：三n旦 (3．14)
昂
显然，方向图愈窄，辐射能量越集中，则D值越大。在实际应用中，天线辐射到空间的功率不易直接测量，能测定的是由发射机送到天线
的输入功率。但由于天线中存在一定的损耗，所以实际辐射功率小于输入功率，为了反映输入功率和辐射特性的关系，引入天线效率。
天线效率定义为天线的辐射功率和输入功率之比，即刁=鲁
@㈣
在天线工程中，有一个常见的参数叫天线的增益，用G表示。增益的定义是：在相同输入功率下，有方向性天线在很大辐射方向上远区点的功率密度R。'与无方向性天线在同一点的功率密度P07之比，即
G=埤 (3．16)
只
D和G是指天线在很大辐射方向上的方向系数和增益。它们的差别只在于一个定义在相同辐射功率下，一个定义在相同输入功率下，因此，它们之间的关系和天线效率有关。假定无方向性不错的天线的效率为1，则可得
G=町·D
(3．17)
对于一般的微波天线，玎zl，所以僻D。
3)阻抗特性
天线阻抗的匹配对工作影响很大，如果驻波系数太大，辐射功率减少，作用距离减小，还会引起某些地方电场太good而打火，工作不稳定。通常要求在工作频带内，天线的驻波系数在1．5以下。
4)．频带宽度当天线的工作频率改变时，天线的特性参数会发生变化。例如，方向图形状或很大辐射方向的改变、副瓣电平增大、增益系数降低、阻抗匹配性变坏等等。天线的特性参数符合规定的技术指标时的频率范围称为天线的带宽或通频带。
口径天线是类天线中能获得高增益的一种天线，喇叭天线是其中很简单的一种，它是终端开路的标准波导(矩形波导或圆波导)逐渐扩展而成的。它是很常用的微波天线之一，一般是作标准天线或作为辐射器(馈源)用，它的主要优点是：1)选择适当的喇叭尺寸，可以获得较锐的波束，较低的副瓣电平；
2)喇叭的结构简单，调整容易，损耗小；
3)喇叭的频率特性好，适用于较宽的频带；
4)喇叭天线可以降低激励波导内的反射系数，其原因是由于喇叭的口径较大，从而使喇叭与空问获得良好的匹配。
同时，喇叭天线的理论计算与实际值接近。随着计算机技术的发展，利用软件进行预仿真，可以为天线的设计指明方向，提前发现问题，缩短设计周期，降低制作成本。
本文设计了两种喇叭天线，用HFSS软件对其进行了仿真，并对结果进行了分析。喇叭天线可以分为四种主要形状：H面扇形喇叭，E面扇形喇叭，角锥形喇叭和圆锥
形喇叭。
H面扇形喇叭一由矩形波导的H平面(即波导的宽边)逐渐展开而成的，同时保持矩形波导的窄边不变。
E面扇形喇叭一由矩形波导的E平面(即波导窄边)逐渐展开而成的，并保持矩形波导的宽边不变。
角锥形喇叭一由矩形波导的E平面和H平面(即波导的窄边和宽边)，同时逐渐展开而成。
圆锥形喇叭一出圆形波导的面都展开的截面为圆形的喇叭。
(2)很佳喇叭天线设计
喇叭天线有很多参数，可以应用这些参数来设计种很佳喇叭。任何很佳设计都与要求相关。通常有两种方法：一种是很佳增益天线，即在满足指标前提下，使喇叭几何尺寸量很小【36】；一种是在设计角锥喇叭时，选用E面和H面3dB波瓣宽度相等的天线吲。在分析喇叭天线时常用下列术语：喇叭口面积称为喇叭口径，与口径平行的截面称为横截面，通过轴线与喇叭管壁垂直的平面称为纵断面。纵断面为等腰梯形，若把梯形延伸到一交点O，则喇叭的纵断面为等腰三角形。图3．10给出了喇叭天线的设计参数示意图。
图中所示参数：口、6为矩形波导的口径，底边长D卜伤为矩形口径面的口径宽度，Rl、如为喇叭长度，c为喇叭高，角孙为口径张角。