圆形口径双模喇叭天线设计研究
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摘要：介绍了圆形口径喇叭天线的基本原理，重点对双模圆锥喇叭进行了分析，最后仿真出一个双模工作的圆锥喇叭天线的方向图、驻波比以及轴比。

关键词：圆形口径喇叭；双模圆锥喇叭天线；方向图；驻波比；轴比
Design research on Circular aperture dual-mode horn antenna
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XX Univ., Xi’an 710071, China
Abstract: The basic principle of the circular aperture horn antenna are introduced, focusing on dual-mode conical horn are analyzed, finally the simulation work out a dual-mode conical horn antenna pattern, standing wave ratio and the axial ratio.
Keywords:circular aperture horn；dual-mode conical horn antenna; pattern; standing wave ratio; the axial ratio.
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。

它常用于如下几个方面： 1 大型射电望远镜的馈源，卫星地面站的反射面天线馈源，微波中继通讯用的反射面天线馈源；2 相控阵的单元天线；3 在天线测量中，喇叭天线常用作对其它高增益天线进行校准和增益测试的通用标准等。

1 圆形口径喇叭
圆锥喇叭一般采用圆波导馈电，描述圆锥喇叭的尺寸有口径直径D，喇叭长度R。

圆锥喇叭的口径场的振幅分布与圆波导中的TE11相同，但是相位按平方律沿半径方向变化。

图2-5计算了不同轴向长度圆锥喇叭的方向系数与口径直径的关系。

从图中可以看出，圆锥喇叭仍然存在着最佳尺寸。

与矩形喇叭类似，当轴向长度一定时，增大口径尺寸的效果将以增大口径面积为优势逐渐地转向以平方相位偏移为优势。

最佳圆锥喇叭的主瓣宽度与方向系数可以由以下公式近似计算：
0.5
(1)
图1 圆锥喇叭
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圆锥喇叭的方向系数
在增益最大值(图中虚线)处，可归纳出R 与D 的近似关系
λλ
15.04.22
-=
D
R op (2)
2 多模喇叭
主模喇叭E 面的主瓣宽度比H 面窄，E 面的副瓣高，E 面的相位特性和H 面的相位特性又很不相同。

因此用主模喇叭作为反射面天线的馈源，使天线的效率提高受到限制。

为了提高天线口径的面积利用系数，就必须设法给主反射器提供等幅同相且轴向对称的方向图，即所谓的等化方向图。

多模喇叭就是应此要求而设计的，它利用不连续截面激励起的数个幅度及相位来配置适当的高次模，使喇叭口径面上合成的E 面及H 面的相位特性基本相同，从而获得等化和低副瓣的方向图，使之成为反射面天线的高效率馈源。

多模喇叭可以由圆锥喇叭和角锥喇叭演变而成，但一般都采用圆锥喇叭，利用锥角和半径的变化以产生所需要的高次模。

多模喇叭天线设计主要考虑以下两大部分：第一部分是高次模激励结构 它包括变张角圆锥系统，半径跃变的圆柱系统和半径张角同时跃变的圆锥系统；第二部分是移相段， 它包括圆锥移相段和直波移相段等。

图2-7就是由变张角圆锥系统A —A ´、C —C ´和直波导移相段A-B ，圆锥移相段B —C 组成的多模喇叭。

图3 多模喇叭结构示意图
在(2–5)式中
A
x
m n
和
B
x
m n
等是TE 模和TM 模的振幅系数；二元函数
),(y x f
H x
和
)
,(y x f
E x
等为标准化的横向分布函数。

上标H 和E 表示TE
mn
和
TM
mn
模，角标x,y,z 表示沿该坐
标方向的分量；一元函数)(z f
H
表示沿z 向的传播。

通常，
]exp[]exp[)(z j z j z a a f
H
mn H
mn H
mn H
Γ+-= (3)
其中
a
H
mn
为TE
mn
模的传播常数，Γ
H
m n
为TE
mn
模的反射系数；)(z f
E
的情况类似。

当某一个缺少某个分量时，可认为相应的横向分布函数为零。

由波导理论还知道，对于任意截面的柱状波导，各模电磁场满足如下功率正交条件：
0)(
1221=∙⨯+⨯⎰*
*ds H E H E (4)
以上式子表明模式1和模式2不发生功率交换，既两个模式各自独立地携带能量，传输中互相不交换能量。

式3和4是多模馈源的理论基础。

多模圆锥喇叭的物理机理可表述如下：众所周知圆波导的主模是TE
11
模。

如果圆波导
工作于主模，则其辐射方向图呈现出极低的交叉极化峰值电平。

TE
n
1模对H 面和E 面的方
向图都有贡献，而模
TM
n
1对E 面方向图有贡献，对H 面没有贡献。

通常，由于主模为
TE
11
模的喇叭的E 面方向图比H 面方向图窄，形不成旋转轴对称的辐射方向图，其峰值交叉极化电平也必然高。

因此一般说来主模馈源是一种低效率馈源。

如果在主模馈源中引入产生高次模的装置，而且合适地配置高次模与主模的相对相位，充分利用不同高次模的不同特性，就有可能对馈源系统获得很好的性能。

图4 双模圆锥喇叭
图5 双模圆锥喇叭的口径场
图4和图5所示的为双模圆锥喇叭的结构和工作特性，它是在圆锥喇叭的颈部加入了一个不连续段，除了激励主模TE11外还激励了高次模TM11。

适当调整不连续段的长度和直径，就可以控制TE11和TM11两种模式之间的幅度比及相位关系，在喇叭口径上得到较为均匀的口径场分布。

3仿真结果
利用HFSS软件设计了一个双模工作的圆锥喇叭天线，此天线中心频率为2.4GHZ，采用圆波导馈电结构，并采用两个激励模式，两个模式的初始误差为90度，构成圆极化。

本节先介绍了如何在HFSS中实现对圆锥喇叭和圆波导馈电结构的建模，然后介绍波端口双模激励和辐射边界的设置，最后生成了驻波比，二维辐射远场，圆极化轴比的仿真结果。

（1）双模圆锥喇叭天线模型，如图6所示。

图6 双模圆锥喇叭天线模型
（2）查看E面和H面的远区辐射场方向图
因为设置的激励源电场初始值在x、y方向上的分量幅度相等，y方向上电场分量相位滞后90度，波沿着z轴正向传播，所以这是一个左旋圆极化波。

左旋圆极化波的远场增益方向图，如图7所示。

图7 左旋圆极化波的E面和H面增益方向图
（3）查看驻波比
分析结果报告，可以观察出，圆极化的驻波比都低于1.12，其性能特别好，接近于理想状态。

驻波比图，如图8所示。

图8 驻波比分析结果
（4）查看轴比
在分析结果报告中，将x轴theta范围修改为-60-60度，y轴的显示数据范围修改0-2
θ=），轴比约为0.1dB，接近理想圆极化。

后的报告如图9所示。

在最大辐射方向上（即00
图9 轴比分析结果
4总结
本文讲解了喇叭天线的原理以及矩形口径喇叭天线和圆形口径天线这两种基本的喇叭天线的设计。

在设计的过程中，翻阅了不少有关方面的书籍也在网上查阅了不少资料，对所获得的资料知识进行整理，筛选，延伸，总结，对有关的公式进行了推演，最后得出此双模圆锥喇叭天线的设计思路。

5 参考文献
[1]林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002
[2]陈腾博，刘琳琳.一种双频段圆锥喇叭天线的设计[J].电波科学学报，2007
[3]冯庆玉，杜汪洋.一种基于HFSS的4GHz双模圆锥喇叭卫星天线设计[J].中国科技信息，2008,24:110-111
[4]宋铮等.天线与电波传播[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003
[5]李明洋等.HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2013。