范文一:Ansoft 软件在双极化喇叭天线设计中的应用
Ansoft 软件在双极化喇叭天线设计中的应用
刘埇 孙厚君 吕昕
北京理工大学信息科学技术学院 100081
【摘要】 本文详细阐述了一种双极化喇叭天线。 通过 Ansoft 公司提供的电磁场仿真软件 HFSS8.0 和 Optimetrics 对该天线进行的仿真、优化。并与实物测量结果进行了比较。证实对天线的设计和制作 具有良好、可信的指导作用。
【关键词】 双极化喇叭天线 电磁场仿真 HFSS 1. 引言
喇叭天线是最简单也是最通用的微波天线。 喇叭天线的工作类似于声波提供方向性的喇叭筒, 它起着由波导模到自由 空间模光滑过渡的作用。喇叭天线具有增益高。电压驻波比低和工作频带宽的特点,并且重量轻,容易制造,是 1GHz 以 上微波波段极为通用的天线。
双极化喇叭天线是基于喇叭天线的设计原理, 可以发射两个互相垂直的极化电磁波的天线。 设计中主要存在的问题是 两个馈源的遮挡以及两个馈源的相互隔离、天线方向图的控制。本文中两个馈源的频率分别为 4.5~5GHz和 6~7GHz。
2. 设计原理
简要介绍喇叭天线特性
喇叭天线口面振幅均匀时,方向性系数为
A
D 24λπ
=
当口面振幅为余弦分布时,方向性函数 0
2
4A D λπ=
式中 A 式口面几何面积,
是有效面积。 =0A 0A νA, ν为口面利用系数,当振幅余弦分布时 ν=0.81 。
当口面为矩形,振幅按余弦分布时
口面场分布:
1
10cos
D x E E y π= 2
dB 3?弧度:
E 面:0.892D λ
H 面:1.181
D λ
FSLL(dB) :
E 面: -13.2 H 面: -23.0
ν :
ν= 0.81
方向性函数:
- 106 - Ansoft2004年用户通讯
E 面:2
2sin ??
H 面:
2
11) 2 (1cos ?π
?? 3. 天线要求指标
天线极化方式正交线极化,发射为水平极化,接收为垂直极化. 发射频率:6000~~7000MHz 接收频率:4500~~5000MHz
接收频率 4500~~5000MHz 天线增益 大于
13dBi 驻波比 小于
1.3 发射频率 6000~~7000MHz 天线增益 大于 13dBi 驻波比
小于 1.3
4. 仿真过程
z
第一步
在 4.5~5GHz频率下,作天线喇叭口面建模、仿真。建模图如下:
z
第二步
在 6~7GHz频率下,作天线喇叭口面建模、仿真。建模图如下:
z
第三步
在 6~7GHz频率下,波导同轴转换建模、仿真。建模图如下:
z
第四步
在 4.5~5GHz频率下,波导同轴转换建模、仿真。建模上右图: z
第五步
整体天线的建模、仿真。建模图如下:
z
第六步 结果优化
所有模型的初步仿真、计算后,应用 Optimetrics 软件作进一步的优化。 在两个频段内均得到比较理想的驻波曲线、方向图。
4.5~5GHz 附近驻波曲线图如下:
- 108 - Ansoft2004年用户通讯
4.8GHz 方向图如下:
H 面方向图 E
面方向图
6~7GHz
附近驻波曲线图如下:
6.5GHz 方向图如下:
H 面方向图 E
面方向图
由以上图表见仿真结果已达到设计要求指标。
5. 设计要求与实测结果对比及实物照片
天线极化方式正交线极化 , 发射为水平极化 , 接收为垂直极化 . 发射频率 :6000~~7000MHz 接收频率 :4500~~5000MHz
目标参数
测量参数
发射频率 天线增益 大于 13dBi 17dBi 驻波比
小于 1.3
小于 1.3
目标参数 测量参数
接收频率
天线增益 大于 13dBi 16dBi
驻波比 小于 1.3 小于 1.23
实物照片如下:
6. 讨论
比较以上仿真结果和实际测试结果, 可见两者结果基本吻合。 由于在实物的制作过程中加工的工艺等诸多因素, 在具 体的测试时还需有手工调试环节。所以,仿真结果同实际测试结果不尽相同。
总之,在双极化喇叭天线的设计过程中由于采用了 Ansoft8.0 仿真设计软件使设计任务顺利得以完成。从而肯定了 Ansoft8.0 对于微波电磁场仿真的指导意义。
参考文献:
【1】 王新稳 《微波技术与天线》
【2】 康行建 《天线原理与设计》
【3】 白光弘 《天线原理与应用》
范文二:(18-26.5)ghz喇叭天线近场增益的计算
关于铁凝的作文 http://www.66one.net/list/%CC%FA%C4%FD/ 放牛班的春天观后感 http://www.66one.net/zuowen47420/
(18-26.5)GHz喇叭天线近场增益的计算
第33卷第8期增刊仪器 仪 表学 报v01(33 N。(8——三堕垒主塾旦———————一竺垒i 望皇!
呈!竺坚翌垦!竺!兰尘呈鲤丝!坚坠坚曼坐垒竖:兰Q!三(1 8—26(5) GHz喇叭天线近场增益的计算
谢鸣( 中国计量科学研究院北京100013)摘要:研制( 18—26(5) GHz功率密度标准装置需李进源
准确确定作为发射天线的标准增益喇叭的近场增益。用电场积分方程对所用角锥喇叭天线的表面感应
电流建模,用矩量法求解其辐射近场区的电场和磁场,从而计算得到其近场增益。将计算结果与英国
NPL用外推法测量得到的增益值以及用文献中的两种方法得到的理论值进行比较。结果表明,相比理
论值,本文的计算值与实测值吻合更好。在大多数位置和频点上,计算值与实测值差别在士0(1( IB
以内。在无法实际测量天线近场增益的情况下,采用矩量法仿真计算喇叭天线的近场增益也是可行的。
关键词:功率密度标准角锥喇叭天线近场增益矩量法外推法Near- fi el dgai ncal cul ati on
of( 18-26(5) GHz horn ant ennaLiJ i nyuanXi e Mi ng( Nati onal Insti tute ofMetrol ogy, Beo’ i ng 100013, Chi na)Abstract:The near-fi el d gai n of a standard gai n horn as the transmi tti ng antenna i n a powerdensi ty standard of(IS(26(5)GHzhas tobe obtai ned accuratel y(El ectri c fi el di ntegral equati oni s used to model the currentdensi ty i nduced on the surface of the pyrami dalhorn and method ofmoments( MoM) i s used to sol ve the equati on to obtai n the el ectri c and magneti c fi el d i ntensi ti es(wi th whi ch thenear-fi
el d gai n is cal cul ated(The near-fi el d gai n i s then compared wi th that measured through the extrapol ati on techni que carri ed outi n NPL,UK,and wi th those determi
nedthrough t WO theoreti calmodel s i n the l i terature(The resul ts show that the cal
cul atednear-fi el d gai n usi ng MoM agrees wi th the measured one better than the theoreti
cal ones(And the di screpanci es between most of thecal cul ated val ues and the measured ones are wi thi n士0(I dB(It i s concl uded that MoM i s an effecti ve method forcal cul ati ng thenear-fi el d gai n of horn antennas i f it i s not feasi bl e to carry out measurements(Key- words:power densi tystandardpyrami dalhom antenna near-fi el d gai n method of moment sextrapol ati on techni que1 引言场强是无线电计量中的一个重要参数,在微
波段常以功率密度为单位进行计量。中国计量科学研究院正在从事( 18-26(5) GHz功率密度国家计
量标准装置的研制工作。作为国内功率密度量值传递链的源头,该装置将成为我国该频段的功率密度
标准,能为用户提供场强探头的校准和溯源服务。该装置将安装在全电波暗室中,利用标准增益喇叭
天线作为发射天线,通过监测和控制馈入天线的功率,在其口面外主轴上一定距离处产生标准场强。
用该方式对探头校准是标准场强法的一种,属于绝对测量,需根据喇叭天线的馈入净功率、增益及其
与被369校场探头之间的距离计算出探头处的场强值。那么喇叭天线增益的确定就至关重要,其准确
与否直接影响最终场强的准确性。为使产生的标准场强达到足够的强度,同时也为减少实际中暗室吸
收特性不完美所造成的反射影响,需把场探头放置在距离喇叭天线较近的位置,这通常位于天线的辐
射近场区之内【1l 。在(1 8---26(5) Gnz功率密度标准装置中,我们使用的是角锥喇叭天线,因
此需要确定角锥喇叭天线的近场增益值。计算角锥喇叭天线远场增益的经典方法是由Schel kunoffl
2J 提出的。该方法假设喇叭口面场幅度分布同矩形波导中的TEl o模,相位分布为抛物面型,即存
在二次相位误差。J ul l l 3J 在此基础上,进一步用
第8期增刊’李进源等:( 18—26(5) GHz喇叭天线近场增益的计算二次相位误差近似目标点有限
距离的影响,得到了与Schel kunof忪式相似的喇叭天线近场增益计算公式。Larsen和Ri es用多
项式对J ul l 公式进行拟合,得到了喇叭天线近场增益的简单计算公式【1 J 。Rao等【4J把J ul
音乐剧猫 http://www.66one.net/zuowen48033/ 昆虫记读后感 http://www.66one.net/zuowen46802/
禁毒感想 http://www.66one.net/zuowen47377/ 金色的鱼钩 http://www.66one.net/zuowen48718/
关于铁凝的作文 http://www.66one.net/list/%CC%FA%C4%FD/ 放牛班的春天观后感 http://www.66one.net/zuowen47420/ l 对近距离的处理与Maybel l 和Si monl 5J 的方法相结合,部分地避免了在口面相位误差和近距离相位误差两方面的近似,给出了改进的喇叭天线近场增益计算方法。J ul l 和Rao等所提出的方法存在的问题是,他们得到的增益随频率变化的曲线是光滑的,不能体现在实测数据中观察到的波动特征16J ,原因是这些方法没有考虑喇叭天线口面边缘高次绕射波的影响17’ 8J 。Odendaal 掣9】基于扩展的边缘绕射模型得到了喇叭天线近场增益的计算方法,能够反映出增益随频率的波动。Kanda等【l o】和孟东林等11l J 分别用矩量法计算了500MHz(2(6GHz和( 1—18) GHz喇叭天线的近场增益,这种全波分析方法也能得到增益随频率波动的曲线,但他们的计算结果缺少实测值的验证。本文将文献【l l 】的工作进一步扩展至l J (1 8(26(5) GHz,并将由矩量法得到的计算值与实测值以及用文献[3】和【4】中的方法得到的理论值进行了比较。图1角锥喇叭天线尺寸2近场增益的计算方法本文要计算的是角锥喇叭天线的主轴近场增益。一个典型角锥喇叭的几何结构如图l 所示。由于标准增益喇叭天线的欧姆损耗通常在0(03 dB以下【91,因此本文在计算增益的过程中忽略欧姆损耗,假定喇叭天线的材料为理想电导体。那么天线的辐射效率为100,,增益G与方向性D相等。此外,为简化几何建模,本文假定喇叭天线的厚度为0。在喇叭天线的波导口用基模TEl o波激励,则在天线表面会产生感应电流,此感应电流产生散射场。最终的场由370入射波和散射波的场叠加得到。对于前述理想电导体构成的无限薄喇叭天线来说,其感应电流满足如下的电场积分方程‘ 101:卉趔(,)=五× {嚣V』舀(,’ ,,和,‘ ,(,’ 肛+塑4n”量口cr,,’ 沙(,’ 培}(1)其中,,和,’ 分别为目标点和源点坐标,S表示天线表面,且使上式成立的,在S上;另× 表示取天线表面的切向量;E。为入射波电场;77和k分别为真空中的波阻抗和波数;V,为S上的算子;,为待求感应电流;c(r,r’ 1为格林函数,满足下式:口?=商-jklr-r’]?我们采用矩量法【121将上述积分方程转化为矩阵方程可求解得到感应电流t厂,然后利用矢量位可求出散射场F5[ 131。那么最终电场为E:F,+Fs,同理可得最终磁场,,:?’ +?5。由F和?,对文献[ 13100远场方向性的公式稍作修改,可以得到喇叭天线主轴上近场增益的计算公式:乞p)=其中,,为天线主轴上的目标点距口面的距离,s(r):1,2(Re访(r)。?(,)(}为辐射功率密度,只。,为馈入天线的净功率。可以看到,对于给定频率,天线的近场增益给出了目标点的辐射功率密度、馈入天线的净功率以及目标点位置三者之间的关系。对于喇叭天线主轴上的近场增益,通常我们将位置的参考点取为天线口面中心。那么对于功率密度标准装置,我们由喇叭天线的馈入净功率和近场增益可以得到目标点的辐射功率密度。如果目标点距离天线足够远,电场和磁场的关系已知,我们进而可以由功率密度和空间波阻抗得到电场或磁场。3计算结果与测量值的比较功率密度标准装置中使用的天线是美国Ampl i fi er Research公司制造的ATHl 8G27(1型标准增益喇叭天线,其工作频率范围是( 18(26(5) GHz。
第33卷仪器 仪 表 学报天线为角锥形,几何尺寸见表l ( 符号定义参见图1) 。表1喇叭尺寸( 单位:mm)ATHl 8G27(110(6684(318 2(50 57(16 40。78 l l l 57表2嘲叭近场增益结果( 单位:dB)本文用矩量法计算时采用三角形表面网格。综合考虑计算精度与计算时间的要求,设置三角形平均边长约为五,10。此外,为减少计算资源的消耗,在计算中使用了电对称平面和磁对称平面。从理论上讲,若天线关于E面和H面严格对称,则如此设置对称面是完全合理的。而实际中天线由于加工误差的原因,不可能完全对称,但我们无法准确测量天线非对称的几何尺寸,只能在模型上假定其仍然是对称的。我们利用实测数据对计算结果进行验证。实测数据来自英国国家物理实验室( Nati onal Physi calLaboratory,NPL) 对本文喇叭天线的校准报告( 证书编号为2010030131(1) ,是用外推法( 也称广义三天线法) 【14l 测量得到。外推法对不同距离下测得的幅度和相位数据进行处理,修正了测量时收发天线之间的多重反射。根据本文作者的调研,该方法是371目前测量天线增益最精确的方法。校准报告给出,在,(?o,7m的距离处,实测近场增益的扩展不确定度为O(04 dB(k=2)。表2给出了0(7 m、1(4 m并IJ2(0 m3个距离处喇叭天线近场增益的计算值和实测值。图2给出了0(7 m处喇叭天线近场增益的计算值和实测值以及由文献[3】和【4】中两种方法得到的理论值随频率的变化曲线。可以看到,四条曲线相互间的一致性较好。但是,除去高频端的个别点外,相比于两种理论值,本文的计算值距离实测值更近。另外可以看到,计算值和实测值曲线呈现一定的波动特音乐剧猫 http://www.66one.net/zuowen48033/ 昆虫记读后感 http://www.66one.net/zuowen46802/
禁毒感想 http://www.66one.net/zuowen47377/ 金色的鱼钩 http://www.66one.net/zuowen48718/
关于铁凝的作文 http://www.66one.net/list/%CC%FA%C4%FD/ 放牛班的春天观后感 http://www.66one.net/zuowen47420/
征,而两种理论值曲线则没有这样的特征。说明本文的矩量法能够体现喇叭天线口面边缘的高次绕射
波对增益的影响。在其他距离处本文的计算值也与实测值吻合更好。图3给出了在22GHz频率下喇叭
天线近场增益的计算值、实测值和两种理论值随距离的变化曲线。可以明显看到,本文的计算值与实
测值吻合得更好。在其他多数频点上也得到同样的结果。图4进一步给出了0(7 m、1(4 m和2(0
mZ个距离处喇叭天线近场增益的计算值与实测值之差随频率的变化曲线。可以看到,除少数位置和
频点外,计算值与实测值的差别均在士0(1 dB范围内,二者吻合较好。另外,从曲线的趋势上看,
计算值与实测值之差随频率增高而由负值逐渐变为正值,即计算值由低估逐渐变为高估,这可能是由
喇叭天线的有限厚度造成的。在仿真模型中,我们没有考虑天线的厚度,而实际中天线厚度约为2(5
mm。在频率增高时,仿真模型的这一简化可能造成了一定的计算误差。图2 O(7m处计算值与理论值、
实测值的比较
第8期增刊 李进源等:( 18—26(5) GHz喇叭天线近场增益的计算图3 22GHz频率下计算值与理论
值、实测值的比较图4近场增益的计算值与实测值之差论本文利用矩量法对中国计量科学研究院正在
研制的( i 8(26(5) GHz功率密度标准装置中的标准增益喇叭天线的近场增益进行了计算,并将计
算结果与理论值和用外推法得到的实测值进行了比较。结果表明,相比于两种理论值,近场增益的计
算值与实测值吻合更好,在大多数位置和频点上二者的差别在士0(1dB之内。然而,本文没有考虑
喇叭天线厚度对增益的影响,也没有分析计算得到的近场增益的不确定度,这些问题有待进一步研究。
致谢感谢孟东林博士和张啸天对本文工作的支持。参考文献【2】【3】IEEE Standard for Cal i brati on ofEl eetr0Ij |i agneti cFi el dSensors and Probes, Excl udi ng Antennas,From 9 kHz to40 GHz, I EEE Std(1 309? 2005【S】(SEHELKUNOFF SA,FRI I S H T(Antennas:theory and practi ce【M】(New York:Wi l ey,1 952(J ULL Ev(Fi ni te-range gai n ofsectoral andpyrami dalhorns
J 】(El ectron(Lett(,1970,6:680--681(372【4】RAO P H,SELVAN K T,DAS SK(Fi ni te-range 【
gai npredi cti onofpyrami dal hom wi th i mproved accuracy【刀(IEEE Trans(El ectromagn(Compat,
1997,39(4):374-376(【5】MAYBELL M J ,SIMON PS(Pyrami dalhom gai ncal cul ati on wi th i mproved accuracy叨(Antennas andPropagati on,IEEE Transacti ons on,1993,41:884-889(【6】
STUBENI认UcH C F,BEWEKK AC, REOJ AR A G, eta1(Internati onal i ntercompadson ofhorngai n at X-band阴(1EEE Trans(Antennas PropagaL,1996, 似l o):1367-1374(【7】J IJ l 上EV Errors i n thepredi cted gai nofpyrami dalhorns【J 】(IEEETrans(AntennasPropagat(,1 973,
AP一21(1):25-31(【8】8NYE J F,LIANG W(Theory and measurement of the fi el dof apyrami
dal horn阴(IEEETrans(AntennasPropagaL 1996,44(11):1488-1498(【9】ODENDOOL J ,J OUBERT J PRI NSLOO M I(Extendededgewave di 伍铆monmodel for near-fi el ddi re碰vi tycal cul ati ons of hom antennas川(Instrumen切,i on andMeasureme吨匠阻Transacti ons on, 2005,54( 6) :
2469-2473([ 10】KANDA M,KAWALKES F(Near- zonegai nlof 500MHz to 2(6 GHz rectangul ar standard pyrami dalhorns【J】(IEEE Trans(El ectromagn(Compat(,1999, 41( 2) :85-92(【11】
孟东林,吴钒,王维龙,等(微波功率密度标准中喇叭天线的近场增益[J 】(中国机械:EMC2008增
刊,2008,40(45(【12】RAOSM,WIITON DR,GLI SSON A、MEl ectromagneti c scatteri ng bysurfaces ofarbi traryshape【J 】(IEEE Trans(Antennas Propagat(,1982,AP一30( 3) :409-4 l 8(【13】
BALANIS C A(Antenna theoy:anal ysi sand desi gn【M】(New J ersey:Wi l ey, 2005(【14】
NEWELL A,BAI RDILWACKEREAccuratemeasurement of ant enna gai n and pol ari zati on at reduceddi
stancesbyanextrapol ati on techni que田(Antennasand Propagati on,IEEE Transacti onson,
1973,21(4):418(431(
音乐剧猫 http://www.66one.net/zuowen48033/ 昆虫记读后感 http://www.66one.net/zuowen46802/
禁毒感想 http://www.66one.net/zuowen47377/ 金色的鱼钩 http://www.66one.net/zuowen48718/
范文三:喇叭天线CAD6
喇叭天线 CAD (6)
一、 喇叭天线的设计
1.1喇叭天线
1.1.1 引言
在微波波段或频率比较高的频段上, 采用各种波导传输电磁波能量。 常用的 波导是矩形和圆形截面波导, 也有用椭圆形截面波导的。 波导终端开口构成波导 辐射器。 为了改善方向低压窄方向图和获得较高的增益就要增大波导辐射器的口 径面积。 将波导终端做成逐渐张开的形状这就是喇叭天线。 波导辐射器和喇叭是 最简单的口径天线广泛用作高增益天线的馈源和阵列天线的单元, 以及标准增益 天线。 由于波导辐射器和喇叭在终端开口处同外空间不连续, 有部分电流自内壁 流向外壁。 在开口处除波导主模外还存在高次模。 因此严格求解波导辐射器和喇 叭的辐射场是困难的。 幸运的是, 当今我们可以采用商业软件进行严格的理论分 析,如 Ansoft 、 CST 、 Feko 等。
1.1.2 喇叭天线的种类与结构
喇叭天线由一段均匀波导和一段喇叭组成,喇叭是逐渐张开的波导,终 端开口。喇叭内的电磁场分布从喇叭颈部到开口处逐渐变形,在喇叭颈部 (喇叭 与波导连接处 ) ,由于导体壁发生不连续要产生高次模。喇叭的横截面尺寸变化 平缓 (喇叭张角较小 ) 时,喇叭开口面上场分布与波导内横截面上场分布差异不 大, 高次模弱, 基本上只有主模沿着波导传播。 喇叭截面逐渐扩张可以改善与自 由空间匹配。喇叭天线分为矩形喇叭和圆锥喇叭两类,矩形喇叭天线又有 H 面 扇形喇叭、 E 面扇形喇叭和角锥喇叭之称。
人们对喇叭天线的分析与设计已经有很长的历史了, 各种性能的喇叭天线层 出不穷。常见的喇叭天线有:波导辐射器、 E 面扇形喇叭、 H 面扇形喇叭、角锥 喇叭、 宽频带的脊形加载喇叭以及还有作为抛物面天线馈源的波纹喇叭、 短杯同 轴多模馈源或 δ— Gain 馈源、波纹喇叭天线等等。 考虑本课程的时间安排,这 里不可能详细地讲述各种喇叭天线及其涉及技术, 只给大家讲述最常用的喇叭天 线及其设计方法。下图 6-1中给出了其基本结构。
(d) 对角喇叭天线
a E (a) H-面扇形喇叭
(b) E-面扇形喇叭
(c) 角锥喇叭
? 高增益 ? ? 宽频带 ?
(e) δ— Gain 馈源
喇叭天线的 CAD 技术一般先采用基本理论进行粗略的估算,然后用商业软 件进行分析、调整与优化设计。本章限于讨论它的辐射场的近似解法。
在方向图主瓣范围内,近似解与严格解是相当接近的。
1.2 矩形波导及其辐射器
1.2.1 矩形波导的结构与尺寸
矩形波导如图 6-2所示,其内传输主模(TE 10或 H l0) ,波导尺寸应满足下列 条件:
(6-1)
(f) 双脊喇叭天线 (g) 波纹喇叭天线
(h) 圆锥喇叭天线 (i) 角锥喇叭天线 图 6-1 常用的喇叭天线结构
若考虑到损耗要小, b 应当小;但若考虑到传输功率要大, b 又应当大。综 合考虑抑制高次模、损耗小和传播功率大等因素,矩形波导截面尺寸—般选择:
(6-2)
波导尺寸确定后, 其工作频率范围便可确定。 为使损耗不大, 并不出现高次 模,其工作波长范围取:
(6-3)
波导管壁电流 :当波导中传输微波信号时, 在金属波导内壁表面上将产生感 应电流, 称之为管壁电流。 在微波频率, 趋肤效应将使这种管壁电流集中在很薄 的波导内壁表面流动,其趋肤深度 e δ的典型数量级为 10-4厘米 (例如:铜波导, f =30GHz 时, e δ=3.8×10-4厘米 ) 。故,这种管壁电流可视为面电流。
研究波导管壁电流结构有着重要的实际意义。 除了波导损耗的计算需要知道 管壁电流外, 在实用中, 波导元件需要相互连接、 有时则需要在波导壁上开槽或 孔以做成特定用途的元件。 此时, 接头与槽孔所在位置就不应该破坏管壁电流的 通路, 否则将严重破坏原波导内的电磁场分布, 引起辐射和反射, 影响功率的有 (a) 矩形波导 (b) 传输主模时的管壁电流
图 6-2 矩形波导及其管壁电流
效传输。相反,有时则需要在波导壁上开槽做成裂缝天线。此时,开槽就应切断 管壁电流。如图 6-2中的辐射性槽 3、槽 4和槽 5。此外,管壁电流在波导宽壁 中央 (x=a/2处 ) 只有纵向电流。这一特点被用来在波导宽壁中央纵向开一长缝制 成驻波测量线,进行各种微波测量。
为了能实现宽频带工作,可采用脊波导
(ridged waveguide),如图 6-3所示。这种脊波
导由于其脊棱边缘电容的作用, 使其主模 TE l0
模的截止频率比矩形波导低,而其 TE 20模的
截止频率却比矩形波导的 TE 20模的高,使脊
波导单一模工作的频带宽, 可达数倍频程。 同
时,脊波导的等效阻抗低。脊的高度 d 愈小, TE l0模的截止频率愈低, 等效阻抗也愈低。 因
此, 脊波导适于作宽频带馈线和元件以及高阻抗的矩形波导到低阻抗的同轴线或 微带线的过渡。但是,脊波导的损耗较大,功率容量较低,加工不方便。因而使 用受到限制。
1.2.2 矩形波导辐射器
矩形波导的结构如图 6-2所示,近似计算时,可以认为波导开口面上的场分 布和波导内横截面上的入射波场分布相同。 在需要较精确计算开口面上的场分布 时, 应计入反射以及考虑外壁电流的贡献。 矩形波导中传输主模时, 作为近似计 算,其口径场分布可以表示为:
(6-4)
图 6-3 双脊 (ridged)波导
其中:
f 为工作频率, μ、 ε为波导中的介质参数, λπ/2=k 。
有了口径场以后,利用等效定理,可以得到等效的口径电磁、流元;从而 可以得到矩形口径的远区辐射场为:
(6-5)
,
,
。
η为自由空间波阻抗, 377120≈=πη。
值得说明的是, 由于使用不同的辐射公式, 所得出的远区辐射场表达式稍有 不同。但是,计算的辐射方向图基本一致。
从式 (6-5)可以得到传输主模的矩形口径主平面的辐射场可以写为:
E -plane (090=φ):
(6-6a)
H -plane (00=φ) :
(6-6b)
矩形口径的方向性系数 D 可以表示为:
(6-7)
其中 2/8π=i e =0.81,称为口径效率; A 为口径面积。在面天线中,通常将方 向性系数就认为是天线的增益。
图 6-4中给出了矩形波导辐射器的 H 平面和 E 平面功率方向图。图中实线 表示开口处反射系数为零时的计算值, 虚线表示计入反射系数时的计算值, 小圆 图表示测量值。波导尺寸 λ71. 0=a , λ32. 0=b 。从图可见在 θ角度不大的范围 内,两条理论曲线和测量结果相当符合。 θ很大时,理论计算和测量结果相差较 大。这主要是由于计算方法或数值模型的误差造成的,足以可以在工程上应用。
综上所述, 矩形波导辐射器的设计就是依据给定的工作频率 f , 选取波导 尺寸, 然后根据上面的公式就可以计算出远区辐射场的方向图, 并进一步计算出 其增益。其次,从这一过程看到,口径天线的基本分析过程就是先确定口径场, 然后再计算远场。 最后, 通常情况下, 可以将具有矩形口径的平面阵列天线作为 矩形口径天线来等效。只是在估算增益时,其口径效率按 50%计算即可。
1.2.3 H面扇形喇叭天线
矩形波导的四个壁面中, 一对壁面平行, 另一对壁面张开。 两平行壁面间距, 通常等于馈电波导相应壁面间距。 分析时, 假设扇形喇叭为无限长。 两壁面在电 磁场的 H 平面张开,就形成了所谓的 H 面扇形喇叭天线,如图 6-5所示。
在波导与喇叭连接面,在喇叭开口处,除主模外还存在其它高次摸,所以喇 叭中实际场分布是比较复杂的。 近似分析表明, H 面扇形喇叭内的场结构与矩形 波导内的主模场结构主要方面相似。 由于横截面尺寸逐渐扩大, 喇叭的场结构会 有某些变形,而有所不同于波导内主模的场结构。两者间的主要差异有:
(1)扇形喇叭内,电磁场具有圆柱面波结构。柱面波从位于喇叭顶点且垂直 于 H 面的线源发出,波阵面为柱面。矩形波导内电磁场为主模。
(2)波导和喇叭内相速都大于光速。但喇叭内相速不是常数因为相连依赖于 与电场矢量平行的一对壁面间的距离,它随距离的增大而远渐接近光速。
(3)在离喇叭顶点足够远,电磁场退化为横电磁波。
(4)在喇叭内没有临界波长。因为在无限长喇叭内总可以找到能传输任何波 摸的截面。
扇形喇叭内电磁场的等相位面是圆柱面。 喇叭开口面是平面。 所以喇叭口径 (a) (b) 图 6-5 H 面扇形喇叭及其坐标系
上各点的相位不同。
由于在矩形波导中只传输主模,喇叭中的优势波也是主模。所以, H 面扇 形喇叭中,电场只有 y E 分量,其余分量都为零。正因为如此,则可以得到喇叭 天线的口径场 ys E 为:
(6- 8)
其中 1
2
R x λπ表示距离喇叭口径中心 x 处电场的相位差, 有关相位项的计算详见有关 天线原理的书。
有了口径场, 则可以利用其等效的电磁流源的辐射公式求其远区辐射场, 则 其辐射的远区场可以写为:
H 面(0=φ)方向函数可以写为:
(6-9) 其中:
为常数。
, 被称为菲 涅尔积分。
E 面(2/
π
φ=)方向函数可以写为:
其中
图 6-6中给出了 H 面扇形喇叭的典型方向图, 其中左图为立体方向图, 右图 为两个主平面的方向图。实线为 H 面方向图,虚线为 E 面方向图,可见其波瓣 宽度存在明显差别。 这主要是由于其口径尺寸不一样所致。 口径尺寸越大, 该平 面的波瓣就越窄。其中, λ5. 5
1=
D , λ5. 0
=
a , λ
25
. 0
=
b , λ6
1=
R 。
图 6-6 H面扇形喇叭的典型方向图
H 面扇形喇叭的增益可有下式给出:
图 6-7
画出不同长度 Rl 的 H 面扇形喇叭天线的增益随口经尺寸 D1的变化曲 线,其中 b D =2。
从图中可以看出:对于每一给定喇叭长度 R1,都对应有一个口径宽度最优 值,这时天线增益达到最大。继续增大口径宽度 D1会使喇叭口径场的相位偏差 剧烈增加,引起增益下降。 D1小于最优值时,虽然口径场相位偏差减小,但口 径尺寸小,也使增益下降。
从图 6-7可以看到, 为使增益达到最大所对应的横坐标 Dl 与 R1从存在如下
图 6-7 H面扇形喇叭天线的增益随口经尺寸的变化曲线
近似的关系。
(6-10)
满足式 (6-10)关系的喇叭,被称为最优 H 面扇形喇叭。那么,可以计算出最优 H 面扇形喇叭的口径最大相位偏差为:
(6-11)
最优 H 面扇形喇叭天线半功率波瓣宽度可以近似写为:
1.2.4 E面扇形喇叭天线
矩形波导的四个壁面中, 一对壁面平行, 另一对壁面张开。 两平行壁面间距,
通常等于馈电波导相应壁面间距。两壁面在电磁场的 E 平面张开(a D =1) ,就 形成了所谓的 E 面扇形喇叭天线,如图 6-8所示。
分析 E 面扇形喇叭与分析 H 面扇形喇叭相似,采用园柱坐标系。不过要注
意,在 E 面扇形喇叭内相速不变且等于波导内相速,喇叭内波长等于波导波长。 仿照 H 面扇形喇叭的分析, E 面扇形喇叭的口径场可以表示为:
(6-12)
图 6-8 E面扇形喇叭结构及其参数
式中 g λ为波导波长,且有:
口径上最大相位偏差为:
计算式 (6-12)的辐射场与计算 H 面扇形喇叭辐射场类似, E 面扇形喇叭辐 射场结果为:
H 平面 (0=φ
)
(6-13)
其中, κγ≈,且:
E 平面 (2/πφ=
)
(6-14)
式中:
图 6-9中给出了 E 面扇形喇叭的典型方向图, 其中左图为立体方向图, 右图 为两个主平面的方向图。实线为 E 面方向图,虚线为 H 面方向图,可见其波瓣 宽度存在明显差别。 这主要是由于其口径尺寸不一样所致。 口径尺寸越大, 该平
面的波瓣就越窄。其中, λ75. 22=D , λ5. 0=a , λ25. 0=b , λ61=R 。
从图 6-9可见 E 面扇形喇叭的 H 平面方向图与同相口径场幅度按余弦分布
时相同。口径相位偏差对 E 面扇形喇叭 E 平面方向图的影响要比对 H 面扇形喇 叭 H 平面方向图的影响严重得多。这是因为 E 面扇形喇叭口径沿 E 面出现相位 偏差而幅度为均匀分布; H 面扇形喇叭口径沿 H 面出现相位偏差而幅度为余弦 分布。
E 面扇形喇叭增益可由下式给出:
(6-15)
图 6-10画出不同长度 R 2的 E 面扇形喇叭的增益与口径电尺寸 D 2的关系曲。从 图可见,喇叭电尺寸近似满足下列关系其 E 面扇形喇叭的增益达到最大。
(6-16)
此时,这种喇叭被称为最优 E 面扇形喇叭。对应的口径最大相位偏差为:
图 6-9 E面扇形喇叭的典型方向图
和 H 面扇形喇叭一样, E 面扇形喇叭尺寸为最优时,喇叭口径利用效率为
64%。
最优 E 面扇形喇叭半功率波瓣宽度可从下式求出:
(6-17)
1.2.5 角锥喇叭天线
矩形波导的四个壁面中, 两对壁面同时张开, 就形成了所谓的角锥喇叭天线,
如图 6-11所示。由于它的壁面不是正交坐标系中任何坐标为定值的面,理论研 究遇到了困难, 难以从边界条件确定场的微分方程的积分常数。 通常情况下, 角 锥喇叭由主模工作的矩形波导馈电。其中的场结构通常采用 H 面和 E 面扇形喇 叭内的场结构定性描述。 口径场的相位分布引用扇形喇叭口径场的相位分布, 角 锥喇叭天线的口径场相位沿 x 轴和 y 轴都按平方律分布。 仿照扇形喇叭天线的分 析过程,角锥喇叭口径场的相位因子可以表示为:
图 6-10 E面扇形喇叭的增益与电尺寸关系
R 1和 R 2是从口径中心到喇叭相应两对壁面交叉线的距离。所谓尖顶角锥喇
叭,其 21R R =。
角锥喇叭的口径电场可以表示为:
(6-18)
从式 (6-18)可知,角锥喇叭传输的波接近于球面波,尤其是尖顶角锥喇叭,球 面波的中心为喇叭顶点。
将式 (6-18)代入辐射场公式所有积分计算在前面都已遇到过。不难理解,角 锥喇叭的 H 平面方向图与 H 面扇形喇叭的 H 平面方向图相同; 而 E 平面方向图 与 E 面扇形喇叭的 E 平面方向图相同。
角锥喇叭的增益可以表示为:
(6-19)
图 6-11 角锥喇叭天线结构及其相关参数
e
ρh
ρp e
p h
其中:G H 为 H 面扇形喇叭的增益, G E 为 E 面扇形喇叭的增益。
最优角锥喇叭的增益近似为:
(6-20)
式(6-20)是典型的面天线增益的计算公式。 图 6-12种给出了角锥喇叭的典型(归一化)方向图。
和扇形喇叭一样,角锥喇叭也有最优尺寸:
(6-21)
除用作独立天线外,喇叭广泛用作反射面天线的馈源或天线阵的单元,这
时它不应按最优尺寸设计,而应保证它在两个主平面内的最大相位偏差小于
图 6-12 角锥喇叭的典型方向图
(R 1=R2=6λ, D 1=5.5λ, D 2=2.75λ, a=0.5λ, b=0.25λ)
8/π。因此,喇叭长度由下式确定:
(6-22)
它的十分之一功率彼瓣宽度可用下列经验公式计算:
(6-23)
上述近似公式仅适用于小口径小张角喇叭。 此外, 还必须考虑喇叭与馈电波
导结构上相配备。从图 6-11角锥喇叭天线的几何结构有如下关系:
(6-24)
作为标准喇叭天线, 应从设计的天线增益方面入手。 亦即天线的增益 G 0为: e h D D G λπ
λπ224212
2
120?=
(6-25)
那么,上式可以简化为:
(6-26)
其中:
, (6-27)
式 (6-26)被称为喇叭天线的设计方程。其设计的基本步骤为:
1) 对于给定的天线增益值 G , 利用迭代的方法, 寻求满足方程式 (6-26) 的根 X ,
迭代的初始值可以选为:
2) 一旦选出了 X 值,就可以利用 (6-27)计算 e ρ和 h ρ。 3) 利用下述公式计算口径尺寸:
4) 计算喇叭天线张开的长度 p h 和 p e ,有如下公式:
为了说明本设计过程的使用, 先设计一个工作于 x 波段的喇叭天线。 具体要 求为:试设计一个工作于 x 波段的最优角锥喇叭,工作频率为 8.2 ~ 12.4GHz, 在中心频率 GHz f 11=的增益为 22.6dB 。 喇叭天线的馈电用 WR90波导, 具体尺 寸为 a=2.286cm, b=1.016cm。
设计过程:首先将天线增益转换为数值, G(dB)=22.6=10lgG,可以得到:
G=102.26=181.97 ; 由 于 GHz f 11=, 则 cm 7273. 2=λ; λ8382. 0=a , λ3725. 0=b ;
迭代过程:选 ,不满足公式 (6-26),经过适当的迭代
可以得到:
满足方程。
用公式 (6-27)计算 e ρ和 h ρ得:
,
。
计算喇叭天线的口径尺寸为:,
。
计算喇叭天线张开的长度 p h 和 p e
。
作为校验, 有公式 (6-25)计算出天线的增益为:
, 接近于所要求的
天线增益 22.6dB 。
图 6-13种给出了一个标准增益喇叭天线的实际产品结构及其相关参数。
1.2.6 角锥脊喇叭天线
作为宽频带双脊喇叭天线的代表,这里仅给出两篇参考文献,用 FEKO 软
件对这种天线进行的仿真分析。
Ref[1] Christian Bruns, et al, Analysis and Simulation of a 1–18-GHz Broadband Double-Ridged Horn Antenna, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY , VOL. 45, NO. 1, FEBRUARY 2003 55, pp55 ~ 60。 Ref[1] Christian Bruns, Pascal Leuchtmann, and Rüdiger Vahldieck,
Comprehensive Analysis and Simulation of a 1–18 GHz Broadband Parabolic
Reflector Horn Antenna System, IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 51, NO. 6, JUNE 20, pp1418 ~ 1422。
其基本结构如图 6-14所示,限于篇幅这里不再赘述。
图 6-13 NARDA 微波公司的 X 波段标准增益喇叭天线
1.3 圆形波导辐射器
圆形波导辐射器如图 6-15所示, a 为圆波导半径,圆形波导通常传输
主模 H11, 开口面上的口径场可以写 为:
利用口径场积分, 可以求出圆形波导辐射器的远区场表达式。 经过一些简单
变换,可以得到:
图 6-14 1~ 18GHz双脊喇叭天线结构
图 6-15 圆形波导辐射器结构
(6-28)
其中, θsin ka u =, ) (1u Λ为艾丽函数。 则空间任意方向的辐射场为:
(6-29)
图 6-16给出了工作于主模的圆形波导辐射器的方向图。
其波瓣宽度可以近似写为:
如果忽略 γ与 k 的差异,
得到主模激励的圆形波导辐射器的口径利用效率为
835. 0=η。
实用的圆形波导主模的反射系数不大,波导开口与自由空间几乎自然匹配。
1.4 圆锥喇叭辐射器
圆锥喇叭由圆形波导终端逐渐张开形成,如图 6-17所示。圆形波导通常是由
矩形波导渐变过渡来的。矩形波导段传输 H 10模,圆形波导和圆锥波导段则传输
H 11模。圆锥喇叭的理论分析与矩形喇叭相似,但数学表示式复杂,本节不拟讨
论。
值得一提的是,
最优圆锥喇叭天线其最佳口径尺寸要满足
; 其次,
由于圆形波导的对称性, 圆锥喇叭常用作抛物面天线的馈源。 而常用的多模喇叭 馈源如下图 6-18所示,将在抛物面天线设计中再加以介绍。
如图 6-17圆锥喇叭天线
图 6-18 常用的喇叭馈源及其参数
1.5 圆波导尺寸的选择
圆波导的尺寸选择就是确定圆波导的半径 a 。采用主模工作的圆波导,因为 其 H 11模的截止波长为 3.41a ,所以应使 a 41. 3<λ,即 41.="" 3/λ="">a ;同时,为了 抑制相邻的高次(TM 01)模,应选 a 62. 2>λ,即 62. 2/λ
当要求圆波导工作于 TM 01模,则 a 62. 2<λ以及 a="" 06.="" 2="">λ,由此得到:
06
. 262
. 2λ
λ
需要指出注意的是,工作于 TM 01模时 H 11模也会出现。为保证只有 TM 01
模,需采取措施消除 H 11模。
范文四:喇叭天线设计
------------------------------------------------------------------------------------------------
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 1
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
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 3
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
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S11、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。
3bG?23G2?4
(公式2.1) a?aa?a1?8??ap32?2?ap24131 ——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
Re?Rh?
b1?
其中?ap?0.5。
可以计算出Re=20.79mm。 a1?aa1 (公式2.2)
3?1(b? (公式2.3) 2
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 4
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
5
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【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, 6
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
7
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。 8
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
9
(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 10
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
11
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
12
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。
13
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.
14
——————————————————————————————————————
范文五: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
4. 设置背景材料
5. 定义结构
6. 设置频率
7. 设置边界条件
8. 定义激励端口
9. 设置监视器
10. 设置远场监视器
11. 设置求解器
12. 分析结果
a) 1D results 中观察
S11
b) 方向系数,辐射效率
c) 增益
d) 方向图 e)
Theta=90
phi
五、实验元器件、仪器、仪表 1、 PC ;
2、 CST 仿真软件。
六、心得体会
两周的课程设计结束了,在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识,也培养了我如何去把握一件事情,如何去做一件事情,又如何完成一件事情。在设计过程中,与同学分工设计,和同学们相互探讨,相互学习,相互监督。学会了合作,学会了运筹帷幄,学会了宽容,学会了理解,也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练,着是我们迈向社会,从事职业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足下”,通过这次课程设计,我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计,学会脚踏实地迈开这一步,就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础.
通过这次模具设计,本人在多方面都有所提高。通过这次模具设计,综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次冷冲压模具设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力,巩固与扩充了冷冲压模具设计等课程所学的内容,掌握冷冲压模具设计的方法和步骤,掌握冷冲压模具设计的基本的模具技能懂得了怎样分析零件的工艺性,怎样确定工艺方案,了解了模具的基本结构,提高了计算能力,绘图能力,熟悉了规范和标准,同时各科相关的课程都有了全面的复习,独立思考的能力也有了提高。
在这次设计过程中,体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力,体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情,从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节,从而加以弥补。 在此感谢我们的xxx 老师. ,老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样;老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪;这次模具设计的每个实验细节和每个数据,都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度,帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
同时感谢对我帮助过的同学们,谢谢你们对我的帮助和支持,让我感受到同学的友谊。 由于本人的设计能力有限,在设计过程中难免出现错误,恳请老师们多多指教, 我十分乐意接受你们的批评与指正,本人将万分感谢。
转载请注明出处范文大全网 » Ansoft软件在双极化喇叭
λ以及>λ,即>