喇叭天线设计

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。

2 设计过程

HFSS电磁场仿真软件是Ansoft公司开发的应用切向矢量有限元法来求解任意三维射频器件的电磁场分布的软件，仿真后可直接得到特征阻抗、传播系数、S 参数、辐射场、天线方向图、驻波比、增益等结果。H F SS 能进行全面的全参数化设计，从几何结构、材料特性到分析、控制及所有后期处理，具有强大的参数化三维建模能力和高性能的图形能力,大大节省了工程师的设计时间。

2.1 HFSS天线设计流程

使用HFSS软件进行天线设计的流程如下：

（1）设置求解类型。使用HFSS进行天线设计时，可以选择模式驱动(Driven Modal)求解类型或者终端驱动(Driven Terminal)求解类型。

（2）创建天线的结构模型。根据所要设计的天线的初始尺寸参数和结构，在HFSS模型窗口中创建出天线的HFSS参数化设计模型。另外，HFSS也可以直接导入由AutoCAD等第三方软件创建的结构模型。

（3）设置边界条件。在HFSS中，与背景相接触的表面都被默认设置为理想导体边界。为了模拟无限大的自由空间，在使用HFSS进行天线设计时，必须把与背景相接触的表面设置为辐射边界条件或者理想匹配层(PML)边界条件，只有这样HFSS才能计算天线的远区辐射场。

（4）设置激励方式。天线必须通过传输线或者波导传输信号，天线与传输线或者波导的连接处即为馈电面或者称为激励端口。天线设计中馈电面的激励方式主要有两种，分别是波端口激励(Wave Port)和集总端口激励(Lumped Port)。通常，与背景相接触的馈电面的激励方式使用波端口激励，而在模型内部的馈电面的激励方式使用集总端口激励。

（5）设置求解参数，包括设定求解频率和扫频参数。其中，求解频率通常设定为天线的中心工作频率。

（6）运行求解分析。上述操作完成后，即创建好天线模型，正确设置了边界条件、激励方式和求解参数，即可执行求解分析操作命令来运行仿真计算。整个仿真计算由HFSS软件自动完成，不需要用户人为干预。分析完成后，如果结

果不收敛，则需要重新设置求解参数；如果结果收敛，则说明计算结果达到了设定的精度要求。

（7）查看求解结果。求解分析完成后，在数据后处理部分查看HFSS 分析出的天线的各项性能参数，如回波损耗S 11、电压驻波比VSWR 、输入阻抗、天线方向图、轴比和电流分布等。如果仿真计算的天线性能满足设计要求，那么就完成了天线的仿真设计工作，接下来可以着手天线的制作和调试工作。如果仿真计算的天线性能未能达到设计要求，那么还需要使用HFSS 的参数扫描分析功能或者优化设计功能，进行参数扫描分析和优化设计。

（8）Optimetrics 优化设计。如果前面的分析结果未达到设计要求，那么还需要使用Optimetrics 模块的参数扫描分析功能和优化设计功能来优化天线的结构尺寸，以找到满足要求的天线设计。

2.2 设计要求和初始设计

设计一个18GHz-26.5GHz 最佳增益矩形喇叭，其在22GHz 时的增益需要大于15dB ，喇叭天线用WR42矩形波导来馈电，其尺寸为a = 10.668mm,b = 4.318mm,激励信号由特性阻抗为50欧姆的同轴线导入。

先将增益比有分贝值换成无量纲值，15dB 的增益转换成无量纲值约为31.6。22GHz 工作频率对应的波长为13.64mm ，然后将增益和波长值代入到公式2.1、公式2.2和公式2.3中。公式2.1、公式2.2和公式2.3如下。

224

4

31

1

122

ap ap 3bG 3G a aa a 832λλ-+=

πεπε （公式2.1） 1e h 1a a

R R a 3-==λ

（公式2.2）

11

b (b 2

=

+ （公式2.3） 其中ap 0.5ε=。

可以计算出e R =20.79mm 。

在本设计中，波导长度取5/4个波长。同轴线馈电点位于波导宽边中心，馈

电点和短路板之间的距离为1/4个波长，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。

为了方便调节喇叭天线模型的物理尺寸，在设计中我们需要定义一系列变量来表示天线的尺寸。变量定义以及设计的喇叭天线的初始尺寸如表2.1所示。

表2.1 变量定义以及设计的喇叭天线的初始尺寸

2.3 HFSS天线设计

(1)新建设计工程

(2)添加和定义设计变量

从主菜单栏中选择【HFSS】 【Design Properties】命令，打开设计属性对话框。添加各个变量，最后单击设计属性对话框中的确定按钮，完成所有变量的

定义和添加工作。定义完所有设计变量后的设计属性对话框如图2.2所示。

图2.2 定义完所有设计变量后的设计属性对话框

（3）设计模型

第一步：

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1a*1b 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【Modeler】→【Surface】→【Connect】命令，生成喇叭模型。生成的喇叭模型如图2.3所示。

图2.3 生成的喇叭模型

第二步：

创建WR42波导模型，创建一个长方体模型用以表示WR42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WR42。创建的矩形喇叭波导雏形如图2.4所示。

图2.4 创建的矩形喇叭波导雏形

第三步：

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个波长，同轴线的外导体与波导的外侧壁相接触。同轴线的外导体圆半径为0.06英寸，外导体长度为0.3英寸；同轴线内导体半径为0.025英寸，内导体在波导内长度为波导窄边长度的一半，即b/2。本设计创建两个圆柱体模型，用来表示同轴线的外导体和内导体。最终成生的喇叭天线和同轴馈电线如图2.5所示。

图2.5 最终成生的喇叭天线和同轴馈电线

第四步：

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壁都是金属材质，所以本设计需要把喇叭天线模型外侧表面都设置成理想导体边界条件（Perfect E）。其中喇叭的口径面、同轴线端口面和同轴线内表面都不需要设置为理想导体边界条件。

第五步：

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。

第六步：

设置辐射边界条件，使用HFSS分析天线问题时，需要设置辐射边界条件，且辐射边界表面距离辐射体需要不小于1/4个工作波长。本设计创建一个长方体模型，该模型的所有表面都设置为辐射边界条件。

（4）求解设置

天线的中心工作频率为22GHz，所以求解频率设置在22GHz频点。WR42矩形波导的工作频段为18GHz-26.5GHz，那么本设计的扫频范围设置为18GHz-26.5GHz，扫频类型设置为快速扫频。

2.4 设计结果

在仿真完成后，利用HFSS的数据后处理功能分别查看喇叭天线的以下分析结果：在工作频率为22GHz时，E面和H面上的增益方向图以及三维增益方向图，回波损耗S11的扫频分析结果。

（1）查看E面和H面上的增益方向图

天线增益即用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，是在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。E面和H面上的增益方向图如图2.6所示。从分析结果中可以看出，天线的最大增益约为15.85 dB，与本设计要求较为吻合。

图2 .6 E面和H面上的增益方向图

（2）查看极坐标下E面和H面上的增益方向图

方向图是表征天线辐射特性(场强、振幅、相位、极化)与空间角度关系的图形。从方向图可以得到波瓣宽度，指天线的辐射图中低于峰值3 dB 处所成夹角的宽度。天线的方向性主要由主瓣宽度确定。主瓣宽度愈小，说明天线辐射能量越集中，即接受能力愈强，定向作用和方向性也越强。而方向图中副瓣电平越低，表明天线在不需要方向上辐射的能量越弱，即在这些方向对杂散波的抑制能力更强，抗干扰性能更优越。极坐标下E面和H面上的增益方向图如图2.7所示。

图2.7 极坐标下E面和H面上的增益方向图

（3）查看三维增益方向图

三维增益方向图如图2.8所示。

图2.8 三维增益方向图

（4）查看回波损耗S11扫频结果

仿真结束后查看天线信号端口回波损耗(即S11)的扫频分析结果如图2.9所示。

图2.9 回波损耗S11扫频结果

2.5 优化设计

对a1、b1和plength参数进行参数扫描，得到的最符合本设计要求的参数为a1=35.4mm，b1=28.6mm，plength=25.4mm。此时回波损耗(即S11)的扫频分析结

果如图2.10所示。此时的分析结果更接近本设计的要求。

图2.10 回波损耗S11扫频结果

不同的参数对应的极坐标下E面和H面上的增益方向图如图2.11所示。

图2.11 极坐标下E面和H面上的增益方向图

最符合本设计要求的极坐标下E面和H面上的增益方向图如图2.12所示。

图2.12 极坐标下E面和H面上的增益方向图

3 心得体会

由于本科阶段，没有学习过HFSS软件，所以在做这个课程设计的时候我首先到图书馆借了几本相关HFSS设计天线的参考书。首先照着上面的例题设计喇叭天线，刚开始设计的时候问题不断地出现，最后经过不断地摸索终于完成了符合技术指标的喇叭天线。

在设计过程中，出现了一个大问题，就是设置辐射边界条件。辐射边界表面要距离辐射体不小于1/4个工作波长，由于没注意到这个问题，创建的长方体模型的各个表面与喇叭天线的距离小于1/4个工作波长，在设计检查时老是提示错误，最后通过看书查出了错误原因，改了长方体的大小，就可以进行仿真计算了。

通过这次课题设计，我不仅掌握了HFSS软件的基本使用方法，也对课堂学习的理论知识更深一步的了解和巩固了。并且这次喇叭天线设计，也大大提升了我的动手能力和解决问题的能力。

参考文献

[1] 李明洋.HFSS天线设计.北京：电子工业出版社，2011.

[2] 谢拥军. HFSS原理与工程应用.北京：科学出版社，2009.

[3] 章文勋. 天线（第三版）.北京：电子工业出版社，2006.

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。

第一章 天线增益测量

天线与电波教学实验指导书 实验三 天线增益测量 3．1实验内容和目的： 用绝对测量法（即测传播损耗的方法）和相对测量法（即比较法）测量喇叭天线的增益，掌握天线增益的一般测量方法。 3．2测量原理 1．天线增益的绝对测量 根据福里斯公式，当发射功率为P t ，发射天线增益为G t ，接收天线增益为 G r ，收发天线相距 R ，则位于远场区的接收天线的最大接收功率为 2244??? ? ??=?=R G G P A R G P P r t t r er t t r πληπ 当收发天线完全相同即G t =G r =G 时，接收功率为 2244??? ? ??=?=R G P A R G P P t r er t t r πληπ 由此可求出每个天线的增益为 G P P R r t =?4πλ 如用dB 表示，则为 ??? ? ???+??? ??=t r P P R dB G lg 10214lg 10)(λπ 因此,如果测出收发电平差、工作频率和收发距离，即可通过上式求出被测天线的增益。 2．天线增益的相对测量 被测天线增益G 和参考天线增益G 0间存在简单的关系： G=gG 0 式中，g 是被测天线相对于参考天线的增益。

因此如果参考天线的增益已知，只要测出g ，即可按上式求出被测天线的增益。 用比较法测天线增益，常用半波对称振子(或折合振子)作线天线的标准增益天线（其增益约为1.64或2.15dB ）；常用按最佳方向性系数设计的标准增益喇叭作面天线的增益标准天线，其增益理论设计值和实际值相当吻合，可按下式估算： )(4lg 102dB Ak D G λ π≈≈ 式中，A 是喇叭口面面积，k 是口面利用率。对角锥喇叭天线k 取0.51。 3. 天线增益的综合测量 设三个不同天线的增益分别为G G G 010203、、,先用比较法测得1和2对3的相对增益 03 02 203011G G G G G G ==， 当G 03已知时，则 03 20203101G G G G G G ==，， 用dB 表示,即 ) ()()()()()(0320203101dB G dB G dB G dB G dB G dB G +=+=， 当G dB 03()未知时，可用上述1项（天线增益的绝对测量）的方法测出G dB G dB 0102()()+，与上两式联立求出G dB 03()。 3．3 测量方框图： 3．4主要测试设备： 发射源：厘米波分频锁相源（带隔离器，具连续波或1KHz 内方波调制输出，带数字频率指示和功率相对指示，工作频率11GHz ±250MHz ，输出功率连续可调，

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

矩形天线书

天线原理设计说明书 矩形喇叭天线 学生姓名：李帅学号：1205094219 学生姓名：王涛学号：1205094221 学生姓名：唐毓孝学号：1205094230 学院：信息与通信工程学院 专业：信息对抗技术 指导教师：姚金杰 2015年 6 月15日

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一、题目要求以及研究背景意义 1.1题目要求 设计一个（4GHz-6GHz）频段最佳增益矩形喇叭天线，其在5GHz时的增益需要大于15dB，喇叭采用WR430矩形波导来馈电，输入阻抗50欧。 （1）建立天线结构； （2）完成天线的设计与仿真； （3）完成仿真结果参数的分析。（频率、带宽、输入阻抗、方向图等） 1.2研究背景意义 喇叭天线是面天线，波导管终端渐变张开的圆形或矩形截面的微波天线，是使用最广泛的一类微波天线。它的辐射场是由喇叭的口面尺寸与传播型所决定的。其中，喇叭壁对辐射的影响可以利用几何绕射的原理来进行计算的。如果喇叭的长度保持不变，口面尺寸与二次方相位差会随着喇叭张角的增大而增大，但增益则不会随着口面尺寸变化。如果需要扩展喇叭的频带，则需要减小喇叭颈部与口面处的反射；反射会随着口面尺寸加大反而减小。喇叭天线的结构比较简单，方向图也比较简单而容易控制，一般作为中等方向性天线。频带宽、副瓣低和效率高的抛物反射面喇叭天线常用于微波中继通信。 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。合理的选择喇叭尺寸，可以取得良好的辐射特性：相当尖锐的主瓣，较小副瓣和较高的增益。因此喇叭天线在军事和民用上应用都非常广泛，是一种常见的测试用天线。喇叭天线的基本形式是把矩形波导和圆波导的开口面逐渐扩展而形成的，由于是波导开口面的逐渐扩大，改善了波导与自由空间的匹配，使得波导中的反射系数小，即波导中传输的绝大部分能量由喇叭辐射出去，反射的能量很小。从原理上来说，波导开口端和喇叭天线是很简单的天线，但严格求解它们的口径场及外场却相当困难。首先，波导开口端面上与喇叭口面上的场分布与无限长波导内的场分布不同，而且空间传播的TEM波也不同，是结构较为复杂的波。其次，在口面上除了入射波，还有反射波。再次，在口面上除了主波以外，还有高次波型。此外由于波导和喇叭的开放性结构，波导开口和喇叭开口边缘处和外壁上都有电流存在，它们也参与辐射。 由于喇叭天线结构简单和方向图易于控制，通常用作中等方向性天线，如标准喇叭，最常见的是用作反射面的馈源。当它用作独立天线时，一般都加上校正相位的反射面或透镜。喇叭－抛物反射面天线具有频带宽、副瓣低和效率高等特性，常用于微波中继通信。而透镜因其重量较重和结构复杂等原因，已很少用作喇叭的相位校正。 喇叭天线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。 二、矩形喇叭天线设计方案 2.1设计原理 啊啊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。图画出了一个矩形扇形喇叭天线的场分布图。

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

cst喇叭天线

题目：喇叭天线 作者1：胡庭班级11级通信五班学号1110405012 作者2：宋恒阳班级11级通信五班学号1110405029 喇叭天线的设计 一、实验目的： 1、熟悉CST软件的使用； 2、掌握喇叭天线分析和求解方法，喇叭天线基本设计方法； 3、利用CST软件对喇叭天线进行分析，掌握喇叭天线的规律和特点。 二、预习要求 1、喇叭天线原理。 2、CST软件基本使用方法。 三、实验原理 1天线的辐射场可利用惠更斯原理由口面场来计算。口面场则由喇叭的口面尺寸与传播波型所决定。可用几何绕射理论计算喇叭壁对辐射的影响，从而使计算方向图与实测值在直到远旁瓣处都能较好地吻合。它的辐射特性由口面的尺寸与场分布决定，而阻抗由喇叭的颈部（始端不连续处）和口面的反射决定。当喇叭长度一定时，若使喇叭张角逐渐增大，则口面尺寸与二次方相位差也同时加大，但增益并不和口面尺寸同步增加，而有一个其增益为最大值的口面尺寸，具有这样尺寸的喇叭就叫作最佳喇叭。 2 喇叭和角锥喇叭传播的是球面波，而在一个面（E或H面）张开的扇形喇叭中传播的则是柱面波。喇叭口面场是具有二次方相位差的场，二次方相位差的大小与喇叭的长度和口面大小有关。 为了扩展喇叭的频带，必须减小喇叭颈处与口面处的反射。口面尺寸加大，则反射减小。此外，把波导与喇叭的过渡段尽量做得平滑些，也可以减小该处的反射。由于该位置附近的喇叭尺寸还很小，因此，不能传播高次模，一般都传输单模。为了控制辐射方向图，有时口面上需要多模场分布，这时应在喇叭内适当位置引入能产生高次模的器件。这种喇叭叫作多模喇叭，可用作单脉冲雷达或高

效率天线馈源。由于各模在喇叭内的相速不同，多模喇叭的频带比常规喇叭的要窄。 四、实验内容与步骤 1.点击打开软件选择如下图所示的图标 2.选择天线模板 3.设置单位

第四章 增益测量

第四章 增益测量 第一节 引言 天线的方向增益（通常称方向性系数）是表征天线所辐射的能量在空间分布情况的量，定义为在相同辐射功率情况下，该天线辐射强度),(?θp 与平均辐射强度之比，即 0p 0 ) ,(),(p p D ?θ?θ= （4﹒1） 由于辐射强度正比于电场强度的平方，因此，方向性系数也可写为 2 2),(),(E E D ?θ?θ= （相同辐射功率） （4﹒2） 式中，),(?θE 是该天线在),(?θ方向产生相同电场强度的条件下，点源天线的总辐射功率与该天线的总辐射功率之比，即 ) ,(),(0?θ?θT T P P D = （相同电场强度） （4﹒3） 一般情况均指最大辐射方向的方向性系数，因此，式（4﹒1）、（4﹒2）、（4﹒3）可写为 2 02 0E E p p D m m m == （相同辐射功率） mT oT P P = （相同电场强度） （4﹒4） 方向性系数是以辐射功率为基点，没有考虑天线能量转换率。为了更完整地描述天线的特性，我们以天线输入功率为基点，将该天线与点源天线作比较，于是，仿照方向性系数所定义的量就叫做天线的功率增益（通常称为增益系数），即 2 2),(),(E E G ?θ?θ= （相同输入功率） （4﹒5） 或 ) ,(),(0?θ?θin in P P G = （相同电场强度） （4﹒6） 式中，和in P 0),(?θin P 分别是点源天线和该天线的输入功率。 若指天线最大辐射方向的增益，则式（4﹒5）和（4﹒6）可写为 2 2E E G m m = （相同输入功率）

inm in P P 0= （相同电场强度） （4﹒7） 将式（ 4﹒7）进行简单的换算，则有 A m inm mT mT oT oT in inm oin m D P P P P P P P P G ηη??=? ?== 00 （4﹒8） 式中，0η和A η分别是点源天线和某天线的效率。 令点源天线效率10=η，并因一般谈及方向性系数或增益系数均指最大发射方向，为简化书写，我们将足标“”去掉，于是式（4﹒8）就变为 m D G A η= （4﹒9） 可见，天线的增益系数等于天线的效率与方向性系数之积。如果天线效率为100%，则天线的方向性系数也就是天线的增益系数了。 天线增益的测量可以根据定义测取相对功率或相对场强而得到，基本方法有两大类：一类是比较法，另一类是绝对法。 第二节 比较法测天线增益 比较法是将待测天线与一已知增益的标准天线进行比较而测得其增益值的。定义增益时，以点源天线作比较标准，但辐射球状方向图的标准点源天线实际上难以实现。因此，测量时，通常是用有方向特性的天线（如半波偶极天线或喇叭天线等）作比较标准，相对于标准天线增益的待测天线增益则为 s G G P P G G s s = （相同电场强度） （4﹒10） 或 2 2s s E E G G = （相同输入功率） （4﹒11） 为了简单，式中功率P 和场强E 的足标已省掉。按式（4﹒10）或式（4﹒11）用比较法进行天线增益测量时，可以有多种方案。 一、标准天线和待测天线作发射 1． 相对功率法 测试电路如图4﹒1所示，步骤如下： ⑴辅助天线接入发射端，并调整匹配，是输出功率最大； ⑵辅助天线接入接收端，并使其最大辐射方向与发射天线的最大辐射方向对准； ⑶调节可变衰减器，使接收端指示器指示适当的值A，记下功率计读数； s P

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

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）

增益测量

第一章概念 1.1 定义 1.1.1 功率增益 天线在某方向上的辐射强度（每单位立体角内天线所辐射的功率）与天线从其信号源所得的净功率的比值称为天线在该方向的功率增益。 功率增益表征天线固有的性质，不包括因阻抗或极化失配所引起的系统损失。在确定整个系统的功率传递时，要测量和考虑天线的输入阻抗与天线的极化。1.1.2 峰值功率增益 功率增益的最大值称为峰值功率增益。本文所指的公路增益测量均为峰值功率增益测量，知道了辐射方向图就可确定任何其它方向的增益。 1.2 测量方法概述 1.2.1功率增益测量方法分类 功率增益测量方法可分为两大类：绝对法和比较法。 1.2.1.1 绝对法分类 绝对增益测量不需要预先知道测量中所使用的任一天线的增益。这种方法通常用于增益标准天线的定标。除了专门从事标准定标的实验室外，其它实验室很少采用这种方法。 1.2.1.2 增益传递法 增益传递发也称增益比较法，它是增益测量最常用的方法。用这种方法进行测量时，需使被测天线的增益与增益标准的增益天线进行比较。 1.2.2 确定天线功率增益所采用的技术 确定天线功率增益所采用的技术因天线的工作频率而异。 1.2.2.1 1GHz以上的频率 在1GHz以上的频率，通常采用自由空间测试场进行功率增益测量。对这些频率，可采用微波技术，例如可采用电磁喇叭等波导元件。 1.2.2.2 0.1--1GHz之间的频率 对于0.1--1GHz之间的频率，通常用地面反射测试场进行测量。在这一频率范围内工作的天线通常安装在诸如飞机之类的构件上，这些构件会影响天线的性能。此时可采用比例模型技术。然而，只要比例模型天线制作的合适，其方向性与原型天线的方向性是相同的，故可以测量比例模型天线的方向性，再用其它方法测出原型天线的效率，从而求得功率增益。可使装有原型天线的飞机相对于一个适当的地面站按规定的路线飞行，以证实方向性测量结果。可用原型被测天线测出系统性能，并与比例模型的测量结果进行比较。 1.2.2.3 低于0.1Ghz的频率 当频率低于0.1GHz时，地面对天线特性的影响变得十分明显，使功率增益的测量更加困难。在这一频率范围内，定向天线的尺寸是相当大的，必须在现场进行测量。通常可满意地计算天线的增益并估算地面的影响。再之，也可采用比例模型，然而，由于地面对天线特性的严重影响，地面的电器特性也应该按比例模拟。 1.2.2.4 低于1MHz的频率 对低于1MHz的频率，通常不测量天线的功率增益，而测量天线所辐射的地波的场强。

喇叭天线基础理论

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;

喇叭天线

Characterization of Millimeter Wave Phased Array Antennas in Mobile Terminal for 5G Mobile System Jakob Helander, Daniel Sj?berg, Mats Gustafsson Department of Electrical Information Technology LTH, Lund University Lund, Sweden Kun Zhao, Zhinong Ying Network Technology Laboratory SONY Mobile Communications AB Lund, Sweden Abstract — This paper presents a characterization method for millimeter wave (mmWave) phased array antennas in the mobile terminal for 5G communication. Arrays of different antenna designs, operating at 28 GHz, are evaluated according to novel characterization methods in this context - the total scan pattern of the phased array and its respective coverage efficiency. The results show the relevance of evaluating antenna array designs according to these characteristics, and illustrate, by introducing pattern diversity through sub-array schemes, that the coverage efficiency can be enhanced. I. I NTRODUCTION For supporting high quality multimedia applications in future smartphones, the massive increase in mobile data rates creates new challenges regarding the development of the 5th generation mobile system. Due to shortage of frequency spectrum below 6 GHz, bands at the mmWave frequencies (10 – 300 GHz) have been widely suggested as candidates, as the considerably larger bandwidths could be exploited to increase the capacity and enable the user to experience several gigabits per second data rates [1-3]. However, moving from the much lower cellular carrier frequencies used today (700 MHz – 2.6 GHz) up towards the mmWave bands results in a much higher free space path loss, as can be seen from Friis’ formula: R T T R 20log . (1) Here, is the distance between the antennas, the carrier frequency, the speed of light, and R,T and R,T the power and gain for receiving and transmitting antenna, respectively. In order to compensate for this increase in path loss without applying additional power, the antenna gains in both base station and mobile terminal need to be much higher than current cellular antennas. In the mobile terminal, the high gain could be realized by employing an antenna array, which is made possible as the physical antenna element aperture decreases with the increase of frequency. However, as gain is increased the resulting beamwidth will be narrowed accordingly, which will reduce the coverage of the mobile terminal array. Phased array configurations introduce the beamsteering function, and enable the system to achieve a good link when incoming signals are coming from different angles [2, 3], but the steering range will still be limited. Beamsteering using phased arrays as a concept is not new, but the idea of utilizing it in mmWave spectrum using small form factor antennas in the mobile terminal is just starting to be considered [4-6]. Thus, it is of great value to characterize mmWave phased arrays in mobile terminals, not only according to classical standards, but also to consider their total scan pattern and achievable coverage with respect to a gain threshold level , see Fig. 1. This paper introduces the total scan pattern and coverage efficiency, and presents simulated results of different phased arrays implemented in the mobile terminal and operating at 28 GHz, Moreover, some sub-array schemes have also been investigated in order to achieve pattern diversity and illustrate how the coverage efficiency can be enhanced. II. C HARACTERIZING A RRAY P ERFORMANCE Since mobile terminals are hand-held in non-fixed positions, incoming signals are assumed to be isotropically distributed. Our simplified physical model assumes urban cell sizes of ~200 m with a link being established either through line-of-sight (LOS) or minimum number of reflections. A. Total Scan Pattern and Coverage Efficiency ( ) The total scan pattern is obtained from all array patterns corresponding to the different phase shifts, by extracting the best achievable gain at every angular distribution point ( , ), such as to the right in Fig. 1. The coverage area of a mobile terminal phased array antenna can be found from the total scan pattern coverage with respect to . The coverage efficiency can thus be defined such as: C A . (2) The total area is the whole surrounding sphere. will depend on the parameters in (1), with the flexibility of adding Fig. 1. Left: The total scan pattern of phased array gain, and how its coverage is evaluated with respect to a gain threshold level. Right: Example of total scan pattern of phased array. 7978-1-4799-7815-1/15/$31.00 ?2015 IEEE AP-S 2015