基于HFSS的圓錐喇叭天線設(shè)計(jì)

1、本科生科研訓(xùn)練結(jié)題報(bào)告 基于HFSS的圓錐喇叭天線設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）：電子工程與光電技術(shù)學(xué)院 姓名、學(xué)號(hào)：郝曉輝 1104330111 席家禎 1104330126 白劍斌 1104330105 指導(dǎo)老師：錢嵩松摘要天線是對(duì)任何無線電通信系統(tǒng)都很重要的器件，其本身的質(zhì)量直接影響著無線電系統(tǒng)的整體性能。天線可分為簡(jiǎn)單線天線，行波天線，非頻變天線，縫隙天線與微帶天線，面天線和智能天線等。圓錐喇叭天線屬于面天線。本文首先介紹了天線的基礎(chǔ)知識(shí)和基本參數(shù)，其中著重介紹了喇叭天線及其設(shè)計(jì),接著介紹了網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)及軟件HFSS。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了圓錐喇叭天線的設(shè)計(jì)，最后在軟件HFSS中進(jìn)行了仿真。本文對(duì)圓錐喇叭

2、天線的設(shè)計(jì)提供了一定的參考作用。關(guān)鍵詞：圓錐喇叭天線；仿真 AbstractAntenna 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，F(xiàn)requence-Independent Antenna，Slot Antenna and Microstrip An

3、tenna，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

4、 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目錄第1章 概述51.1 天線的應(yīng)用背景51.1.1天線的發(fā)展與應(yīng)用51.1.2喇叭天線的發(fā)展和應(yīng)用61.2天線的基礎(chǔ)知識(shí)61.2.1天線的原理71.2.2天線的輻射71.2.3方向系數(shù)91.2.4天線效率91.2.5

5、增益系數(shù)101.2.6輸入阻抗101.2.7微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)111.3喇叭天線基礎(chǔ)知識(shí)141.3.1喇叭天線參數(shù)141.3.2給定增益設(shè)計(jì)喇叭161.3.3根據(jù)參數(shù)要求計(jì)算尺寸參數(shù)17第二章 HFSS仿真喇叭天線172.1 HFSS簡(jiǎn)介172.2 圓錐喇叭天線的仿真182.2.1仿真步驟182.2.2仿真結(jié)果分析23第三章 結(jié)論與展望24引言 天線是一種換能器，它將傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換為在無界媒質(zhì)（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。無線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進(jìn)行工作。根據(jù)無線電系統(tǒng)對(duì)波段

6、的要求，天線的設(shè)計(jì)也不同。長(zhǎng)中短波段，常用T形、環(huán)形、菱形等不同形狀的導(dǎo)線構(gòu)成天線；而在微波波段，常用金屬板或網(wǎng)制成喇叭天線，拋物面天線，金屬面上開槽的裂縫天線，金屬或介質(zhì)條排成的透鏡天線等。 喇叭天線是一種廣泛使用的微波天線，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶寬，功率容量大，調(diào)整與使用方便，合理的選擇喇叭尺寸可以獲得良好的輻射特性，相當(dāng)尖銳的主瓣和較高的增益。因此，喇叭天線在無線通信,雷達(dá)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。喇叭既可以做各種復(fù)雜天線的饋源,也能夠直接作天線使用。喇叭天線就外形特性來說,有方形口徑喇叭和圓形口徑喇叭。方形口徑喇叭天線輻射橢圓波束,從輻射方向圖的圓對(duì)稱性和圓極化工作性能方面都不如圓形口徑喇

7、叭天線。圓形口徑喇叭有單模喇叭,多模喇叭和平衡混合模喇叭。單模喇叭的典型代表就是光壁圓錐喇叭天線,光壁圓錐喇叭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有良好的輻射特性,因此在大型陣列天線中使用非常廣泛。近年來圓錐喇叭天線的理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展比較迅速,出現(xiàn)了多種改進(jìn)形式:包括多模圓錐喇叭、波紋喇叭、變張角喇叭和介質(zhì)加載喇叭等。概述1.1 天線的應(yīng)用背景天線是任何無線電通信系統(tǒng)都離不開的重要前端器件。盡管設(shè)備的任務(wù)并不相同，但天線在其中所起的作用基本上是相同的。在圖1-1所示的通信系統(tǒng)示意圖中，天線的任務(wù)是將發(fā)射機(jī)輸出的高頻電流能量（導(dǎo)波）轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去，或?qū)⒖臻g電波信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻電流能量送給接收機(jī)。為了能良好地實(shí)現(xiàn)上

8、述目的，要求天線具有一定的方向特性，較高的轉(zhuǎn)換效率，能滿足系統(tǒng)正常工作的頻帶寬度。天線作為無線電系統(tǒng)中不可缺少且非常重要的部件，其本身的質(zhì)量直接影響著無線電系統(tǒng)的整體性能。 圖01 通信系統(tǒng)示意圖無線通信的技術(shù)及業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展既對(duì)天線提出許多新的研究方向，同時(shí)也促使了許多新型天線的誕生。例如多頻多極化的微帶天線，電掃描和多波束天線，自適應(yīng)天線和智能天線。天線按照用途的不同，可將天線分為通信天線，廣播和電視天線，雷達(dá)天線，導(dǎo)航和測(cè)向天線等；按照工作波長(zhǎng)，可將天線分為長(zhǎng)波天線，中波天線，短波天線以及微波天線等為了理論分析的方便，通常將天線按照其結(jié)構(gòu)分成兩大類：一類是由導(dǎo)線或金屬棒構(gòu)成的線天線，主要

9、用于長(zhǎng)波，短波和超短波；另一類是由金屬面或介質(zhì)面構(gòu)成的面天線，主要用于微波波段。面天線的種類很多，常見的有喇叭天線，拋物面天線，卡塞格倫天線。這類天線所載的電流是分布在金屬面上的，而金屬面的口徑尺寸遠(yuǎn)大于工作波長(zhǎng)。面天線在雷達(dá)，導(dǎo)航，衛(wèi)星通信以及射電天文和氣象等無線電技術(shù)設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。喇叭天線是最廣泛使用的微波天線之一。1.1.1天線的發(fā)展與應(yīng)用自赫茲和馬可尼發(fā)明了天線以來，天線在社會(huì)生活中的重要性與日俱增，如今成為人們不可或缺之物。赫茲在 1886年建立了第一個(gè)天線系統(tǒng)，他當(dāng)時(shí)裝配的設(shè)備如今可描述為工作在米波波長(zhǎng)的完整無線電系統(tǒng)，采用終端加載的偶極子作為發(fā)射天線，諧振環(huán)作為接收天線

10、。1895年5月7日俄羅斯科學(xué)家亞歷山大利用電磁波送出第一個(gè)信號(hào)到 30英里外的海軍艦艇上。1901年12月中旬，馬可尼在赫茲的系統(tǒng)上添加了調(diào)諧電路，為較長(zhǎng)的波長(zhǎng)配置了大的天線和接地系統(tǒng)，并在紐芬蘭的圣約翰斯接收到發(fā)自英格蘭波爾多的無線電信號(hào)。一年后，馬可尼便開始了正規(guī)的無線電通信服務(wù)。在 20世紀(jì)初葉，由于“共和國(guó)號(hào)”和“泰坦尼克號(hào)”海難事件，馬可尼的發(fā)明戲劇性地表現(xiàn)出在海事上的價(jià)值。因?yàn)樵跓o線電問世之前，船舶在海上是完全孤立的，當(dāng)災(zāi)難來襲時(shí)，即使是岸上或鄰近船舶上的人也無法給予提醒。隨著第二次世界大戰(zhàn)期間雷達(dá)的出現(xiàn)，厘米波得以普及，無線電頻譜才得到了更為充分地利用。 如今，數(shù)以千計(jì)的通信衛(wèi)

11、星正負(fù)載著天線運(yùn)行于不同的軌道中，猶如土星的光環(huán)圍繞土星那樣圍繞著地球；手持的全球定位衛(wèi)星接收機(jī)能夠?yàn)槿魏蔚孛婊蚩罩械挠脩舨环謺円骨缬甑靥峁┙?jīng)度、緯度和高度信息，其精確程度達(dá)到厘米級(jí)；載有天線陣的探測(cè)器在地面系統(tǒng)的指揮下已經(jīng)訪問了太陽系的其他行星；飛機(jī)和船舶隨身攜帶的天線為其提供了必不可少的通信系統(tǒng)；移動(dòng)電話借助于天線為人們提供任何地點(diǎn)和任何人的通信。隨著人類活動(dòng)向太空擴(kuò)展，對(duì)天線的需求也將增長(zhǎng)到史無前例的程度，天線將在未來的生活中擔(dān)任著越來越重要的角色。1.1.2喇叭天線的發(fā)展和應(yīng)用在微波波段，采用各種波導(dǎo)傳輸電磁波能量，常用的波導(dǎo)是矩形和圓形截面波導(dǎo)，也有用橢圓形截面波導(dǎo)的。隨后人們發(fā)現(xiàn)終

12、端開口的波導(dǎo)也可以向外輻射電磁波，于是就有了波導(dǎo)終端開口構(gòu)成的波導(dǎo)輻射器，這種饋源是傳輸線波導(dǎo)的自然發(fā)展。后來為了改善方向性，壓窄方向圖和獲得較高的增益，需要增大波導(dǎo)輻射器的口徑面積。將波導(dǎo)終端做成逐漸張開的形狀，這就是喇叭天線。普通喇叭的方向圖在各個(gè)平面內(nèi)是不相同的，兩個(gè)主平面內(nèi)相位中心也不重合。喇叭作為反射面天線饋源時(shí)，要求它有確定的相位中心和接近圓對(duì)稱的初級(jí)方向圖，這樣，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的反射面天線，可以獲得接近圓對(duì)稱的次級(jí)方向圖，具有良好的電性能。而利用高次模和主模相結(jié)合的多模喇叭和在喇叭內(nèi)壁開槽的波紋喇叭，輻射方向圖可以做到圓對(duì)稱，且工作頻帶寬。這兩種形式的喇叭，副瓣電平低，交叉極化分量小，

13、相位特性良好。用它們作饋源，可使反射面天線效率提高到75%80%。喇叭天線的出現(xiàn)與早期應(yīng)用可追溯到十九世紀(jì)后期，到了二十世紀(jì)三十年代，由于第二次世界大戰(zhàn)期間對(duì)微波和波導(dǎo)傳輸線的興趣，喇叭天線便開始發(fā)展起來。20 世紀(jì) 90 年代，隨著軍事斗爭(zhēng)對(duì)毫米波制導(dǎo)需求的增長(zhǎng)，以及在研制毫米波發(fā)射機(jī)和接收機(jī)方面的需求，喇叭天線獲得了廣泛的研究。目前，喇叭天線已大量用作遍及全世界安裝的大型射電望遠(yuǎn)鏡，以及衛(wèi)星跟蹤和通信反射面天線的饋電單元。除此之外，它也是相控陣的常用單元，并用作對(duì)其它天線進(jìn)行校準(zhǔn)和增益測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)天線。 喇叭天線由一段均勻波導(dǎo)和一段喇叭組成，可以看成是由橫截面逐漸擴(kuò)展而形成的一種天線，一般分

14、為矩形喇叭和圓錐喇叭兩類。矩形喇叭天線又有 H 面扇形喇叭、E 面扇形喇叭和角錐喇叭之分。 由于上述普通矩形和圓錐喇叭天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率容量大和高增益的優(yōu)點(diǎn)，所以在微波測(cè)量系統(tǒng)中被大量的用作標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量天線。 1.2天線的基礎(chǔ)知識(shí)描述天線工作特性的參數(shù)稱為天線電參數(shù)，又稱電指標(biāo)。他們是定量衡量天線性能的尺度。我們需要了解天線電參數(shù)。大多數(shù)天線電參數(shù)是針對(duì)發(fā)射狀態(tài)規(guī)定的，以衡量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)變成空間電波能量以及定向輻射的能力。1.2.1天線的原理當(dāng)導(dǎo)體上通以高頻電流時(shí)，在其周圍空間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)與磁場(chǎng)。按電磁場(chǎng)在空間的分布特性，可分為近區(qū)，中間區(qū)，遠(yuǎn)區(qū)。設(shè)R為空間一點(diǎn)距導(dǎo)體的距離，在R/2時(shí)的

15、區(qū)域稱近區(qū)，在該區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)與導(dǎo)體中電流,電壓有緊密的聯(lián)系。在R/2的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)電磁場(chǎng)能離開導(dǎo)體向空間傳播，它的變化相對(duì)于導(dǎo)體上的電流電壓就要滯后一段時(shí)間，此時(shí)傳播出去的電磁波已不與導(dǎo)線上的電流，電壓有直接的聯(lián)系了，這區(qū)域的電磁場(chǎng)稱為輻射場(chǎng)。發(fā)射天線正是利用輻射場(chǎng)的這種性質(zhì)，使傳送的信號(hào)經(jīng)過發(fā)射天線后能夠充分地向空間輻射。在平行雙線的傳輸線上為了使只有能量的傳輸而沒有輻射，必須保證兩線結(jié)構(gòu)對(duì)稱，線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)電流大小和方向相反，且兩線間的距離。要使電磁場(chǎng)能有效地輻射出去，就必須破壞傳輸線的這種對(duì)稱性，如采用把二導(dǎo)體成一定的角度分開，或是將其中一邊去掉等方法，都能使導(dǎo)體對(duì)稱性破壞而產(chǎn)生

16、輻射。如圖1-2，圖中將開路傳輸或距離終端/4處的導(dǎo)體成直狀分開，此時(shí)終端導(dǎo)體上的電流已不是反相而是同相了，從而使該段導(dǎo)體在空間點(diǎn)的輻射場(chǎng)同相迭加，構(gòu)成一個(gè)有效的輻射系統(tǒng)。這就是最簡(jiǎn)單，最基本的單元天線，稱為半波對(duì)稱振子天線，其特性阻抗為75。電磁波從發(fā)射天線輻射出來以后，向四面?zhèn)鞑コ鋈ィ綦姶挪▊鞑サ姆较蛏戏乓粚?duì)稱振子，則在電磁波的作用下，天線振子上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如此時(shí)天線與接收設(shè)備相連，則在接收設(shè)備輸入端就會(huì)產(chǎn)生高頻電流。這樣天線就起著接收作用并將電磁波轉(zhuǎn)化為高頻電流，也就是說此時(shí)天線起著接收天線的作用，接收效果的好壞除了電波的強(qiáng)弱外還取決于天線的方向性和半邊對(duì)稱振子與接收設(shè)備的匹配

17、。圖02 半波對(duì)稱陣子天線1.2.2天線的輻射天線輻射球面波在以天線為核心的坐標(biāo)系統(tǒng)的徑向方向上傳播。在大的距離上，球面波可以近似平面波。平面波是有用的，因?yàn)樗麄儼褑栴}簡(jiǎn)化了。他們不是自然的，然而，因?yàn)樗鼈冃枰獰o限的功率。該玻印廷矢量描述兩個(gè)方向的傳播和功率密度的電磁波。這是從矢量穿過產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)的，并標(biāo)注為S： S = E ×H* W/(01)均方根（RMS）值是用來表達(dá)場(chǎng)的重要性。H*是復(fù)雜的共軛的磁場(chǎng)相。磁場(chǎng)在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)上是與電場(chǎng)成正比的。比例常數(shù)是，自由空間中的阻抗( = 376.73)： W/ (02)因?yàn)椴Ｓ⊥⑹噶渴莾蓚€(gè)場(chǎng)的矢量的產(chǎn)物，這是正交的兩個(gè)場(chǎng)以及三重定義了

18、一個(gè)右手坐標(biāo)系統(tǒng)：(E, H, S)。考慮一對(duì)以天線為核心的同心球形。靠近天線的場(chǎng)減少為1/R, 1/,1/等等。恒指定的條件將要求功率輻射與輻距離和將不會(huì)被保存的功率一起增長(zhǎng)。場(chǎng)方面的比例1/,1/更高，功率密度隨距離減少，比面積增加的速度快。在球形里面的能源大于在球形外部的能量。這些能量不輻射，但是代替集中在天線周圍，它們是近區(qū)場(chǎng)的條件。只有1/條件的玻印廷矢量（1/R場(chǎng)條件）所代表的輻射功率，因?yàn)樵撉蛐蔚拿娣e的增長(zhǎng)為，并給出了一個(gè)常數(shù)的積。所有輻射功率流經(jīng)內(nèi)部球體將傳播到球形的外部。符號(hào)的輸入抗依賴于近區(qū)場(chǎng)的場(chǎng)類型的優(yōu)勢(shì)：電氣（電容式）或磁場(chǎng)（電感）。在共振（零抗）上儲(chǔ)存的能量是平等的，

19、因?yàn)槭墙鼌^(qū)場(chǎng)。存儲(chǔ)場(chǎng)的增多增加了電路的Q和縮小阻抗帶寬。從天線到目前為止，我們只考慮輻射的場(chǎng)和功率密度。功率流是相同的通過同心的球形：(03)平均功率密度是成正比于1/的。考慮在同一坐標(biāo)的角度上的兩個(gè)球形的面積的差異。天線的輻射，只有在徑向方向;因此，沒有功率可能在或方向上游走的。功率在面積中的通量管上游走，并如下，不僅平均坡印亭矢量，而且功率密度的每個(gè)部分都是與1/成正比的：(04)自從在一個(gè)輻射波S是成正比于1/的之后，E是成正比于1/R。界定輻射強(qiáng)度以此來消除1/的依賴是很方便的：U(, ) = S(R, , ) f W/solid angle(05)輻射強(qiáng)度，只取決于輻射的方向和在所有

20、的距離上保持不變。一探針天線測(cè)量相對(duì)輻射強(qiáng)度（方向圖）是通過在天線的周圍移動(dòng)軌跡在一個(gè)圓圈（常數(shù) R）上。當(dāng)然很多時(shí)候天線在旋轉(zhuǎn)而且探頭是固定的。方向圖隨著球面坐標(biāo)系的常數(shù)角度就叫做錐形（常數(shù)）或大圈（常數(shù)）。大圈削減當(dāng)=0°或= 90°是主要的平面方向圖。其他命名削減也使用，但他們的名字取決于特定的測(cè)量定位，而且它是必要的注釋，這些方向圖小心地在人們對(duì)不同定位器的測(cè)量方式之間去避免造成混亂。方向圖通過采用3個(gè)規(guī)模來衡量的：線性（功率），平方根（磁場(chǎng)強(qiáng)度），及分貝（dB）。該分貝的規(guī)模是最常用的，因?yàn)樗沂玖烁嗟牡蛯哟蔚姆磻?yīng)（旁瓣）。1.2.3方向系數(shù)方向系數(shù)是能定量的表

21、示天線定向輻射能力的電參數(shù)。它的定義為：在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax和無方向性天線的輻射功率密度So之比，記為D。(06)在最大輻射方向上 Emax=(07)上式表明，天線的輻射場(chǎng)與PrD的平方根成正比，所以對(duì)于不同的天線，若它們的輻射功率相同，則在同是最大輻射方向且同一r處的觀察點(diǎn)，輻射場(chǎng)之比為 =(08)若要求他們?cè)谕籸處觀察點(diǎn)輻射場(chǎng)相等，則要求(09) D= (010)顯然，方向系數(shù)與輻射功率在全空間的分布狀態(tài)有關(guān)，要使天線的方向系數(shù)大，不僅要求主瓣窄，而且要求全空間的副瓣電平小。1.2.4天線效率一般來說，載有高頻電流的天線導(dǎo)體及其絕

22、緣介質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生損耗，因此輸入天線的實(shí)功率并不能全部轉(zhuǎn)換成電磁波能量。可以用天線效率來表示這種能量轉(zhuǎn)換的有效程度。天線效率定義為天線輻射功率Pr與輸入功率Pin之比，記為A，即 (011)輻射功率與輻射電阻之間的聯(lián)系公式為Pr= I²Rr, 依據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度與方向函數(shù)的聯(lián)系公式 (012)則輻射電阻的一般表達(dá)式為(013)則方向系數(shù)與輻射電阻之間的聯(lián)系為：(014)類似于輻射功率和輻射電阻之間的關(guān)系，也可將損耗功率Pl與損耗電阻Rl聯(lián)系起來，即 Pl=I²Rl (015)Rl是歸算于電流I的損耗電阻，這樣 (016)注意，上式中Rr，Rl應(yīng)歸算于同一電流。一般來講，損耗電阻的計(jì)算

23、是比較困難的，由上式可以看出，若要提高天線效率，必須盡可能的減小損耗電阻和提高輻射電阻。1.2.5增益系數(shù)方向系數(shù)只是衡量天線定向輻射特性的參數(shù)，它只決定于方向圖；天線效率則表示了天線在能量上的轉(zhuǎn)換效能；而增益系數(shù)則表示了天線的定向收益程度。增益系數(shù)的定義是：在同一距離及相同輸入功率的條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax和理想無方向性天線的輻射功率密度So之比，記為G。用公式表示如下： (017)在有效情況下，功率密度為無耗時(shí)的A倍。由此可見，增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換效率和方向特性的參數(shù)，它是方向系數(shù)與天線效率的乘積。由于發(fā)射機(jī)的輸出功率是有限的，因此在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，

24、對(duì)提高天線的增益常常抱有很大希望。頻率越高的天線越容易得到很高的增益。1.2.6輸入阻抗天線和饋線的連接處稱為天線的輸入端或饋電點(diǎn)。對(duì)于線天線來說，天線輸入端的電壓與電流的比值稱為天線的輸入阻抗。對(duì)于口面型天線，則常用饋線上電壓駐波比來表示天線的阻抗特性。一般，天線的輸入阻抗是復(fù)數(shù)，實(shí)部稱為輸入電阻，以Ri表示；虛部稱為輸入電抗，以Xi表示。 天線的輸入電抗表征儲(chǔ)藏在天線近區(qū)場(chǎng)中的功率。電尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的天線,其輸入電抗很大,例如短偶極天線具有很大的容抗；電小環(huán)天線具有很大的感抗；直徑很細(xì)的半波振子輸入阻抗約為73.1+j42.5歐。在實(shí)際應(yīng)用中，為了便于匹配，一般希望對(duì)稱振子的輸入電抗為

25、零，這時(shí)的振子長(zhǎng)度稱為諧振長(zhǎng)度。諧振半波振子的長(zhǎng)度比自由空間中的半個(gè)波長(zhǎng)略短一些，工程上一般估計(jì)縮短5。諧振半波振子的輸入阻抗約為70歐。天線的輸入阻抗與天線的幾何形狀、尺寸、饋電點(diǎn)位置、工作波長(zhǎng)和周圍環(huán)境等因素有關(guān)。線天線的直徑較粗時(shí)，輸入阻抗隨頻率的變化較平緩，天線的阻抗帶寬較寬。研究天線阻抗的主要目的是為實(shí)現(xiàn)天線和饋線間的匹配。欲使發(fā)射天線與饋線相匹配，天線的輸入阻抗應(yīng)該等于饋線的特性阻抗。欲使接收天線與接收機(jī)相匹配，天線的輸入阻抗應(yīng)該等于負(fù)載阻抗的共軛復(fù)數(shù)。通常接收機(jī)具有實(shí)數(shù)的阻抗。當(dāng)天線的阻抗為復(fù)數(shù)時(shí)，需要用匹配網(wǎng)絡(luò)來除去天線的電抗部分并使它們的電阻部分相等。當(dāng)天線與饋線匹配時(shí)，由發(fā)

26、射機(jī)向天線或由天線向接收機(jī)傳輸?shù)墓β首畲?，這時(shí)在饋線上不會(huì)出現(xiàn)反射波，反射系數(shù)等于零,駐波系數(shù)等于1。天線與饋線匹配的好壞程度用天線輸入端的反射系數(shù)或駐波比的大小來衡量。對(duì)于發(fā)射天線來說，如果匹配不好，則天線的輻射功率就會(huì)減小，饋線上的損耗會(huì)增大，饋線的功率容量也會(huì)下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)發(fā)射機(jī)頻率“牽引”現(xiàn)象，即振蕩頻率發(fā)生變化。口面型天線的阻抗特性用饋線上某點(diǎn)的電壓駐波比或反射系數(shù)來表示。當(dāng)反射系數(shù)為零、駐波系數(shù)為 1時(shí)，稱作匹配。對(duì)口面型天線來說，為了達(dá)到匹配狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)在所有產(chǎn)生反射的不連續(xù)點(diǎn)附近加上能夠產(chǎn)生相反反射的匹配元件，使它們相互抵消。天線的頻帶由這些元件的組合頻帶決定。1.2.7微

27、波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)圖19 二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù) S參數(shù)是從微波網(wǎng)絡(luò)分析的角度定義的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，而電壓駐波比則是從波的特性的角度定義的參量，兩者是有關(guān)系的。我們先來了解一下什么叫駐波。當(dāng)饋線和天線匹配時(shí)，高頻能量全部被負(fù)載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁?，饋線上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波。在不匹配的情況下,饋線上同時(shí)存在入射波和反射波。兩者疊加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹

28、；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相減為最小，形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅則介于波幅與波節(jié)之間。這種合成波稱為駐波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。電壓駐波比（VSWR）是射頻技術(shù)中最常用的參數(shù)，用來衡量部件之間的匹配是否良好。要使天線輻射效率高，就必須使天線與饋線良好的匹配，也就是天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，才能使天線獲得最大功率，如圖1-3所示圖03 天線與饋線的匹配設(shè)天線輸入端的反射系數(shù)為，則天線的電壓駐波比為 VSWR= (018)回波損耗為(019)輸入阻抗為 (020)當(dāng)反射系數(shù)=0時(shí)，VSWR=1，此時(shí)，天線與饋線匹配，這意味著輸入端功率均被送到天線上，即天線得到最大

29、功率。我們看到，其實(shí)S11與電壓駐波比反映的都是天線與饋線的匹配狀況。1.3喇叭天線基礎(chǔ)知識(shí) 喇叭天線由逐漸張開的波導(dǎo)構(gòu)成。如圖2-1所示，逐漸張開的過渡段既可以保證波導(dǎo)與空間的良好匹配，又可以獲得較大的口徑尺寸，以加強(qiáng)輻射的方向性。喇叭天線根據(jù)口徑的形狀可分為矩形喇叭天線和圓形喇叭天線等。圖2-1中，圖（a）保持了矩形波導(dǎo)的窄邊尺寸不變，逐漸展開寬邊而得到H面扇形喇叭；圖（b）保持了矩形波導(dǎo)的寬邊尺寸不變，逐漸展開寬邊而得到E面扇形喇叭；圖（c）為矩形波導(dǎo)的寬邊與窄邊同時(shí)展開而得到角錐喇叭；圖（d）為圓波導(dǎo)逐漸展開形成的圓錐喇叭。由于喇叭天線是反射面天線的常用饋源，它的性能直接影響反射面天線

30、的整體性能，因此喇叭天線還有很多其他的改進(jìn)型。圖14 普通喇叭天線1.3.1喇叭天線參數(shù)下圖顯示出喇叭天線的一般幾何關(guān)系圖15 喇叭天線一般幾何關(guān)系 饋電波導(dǎo)可以是矩形或圓形的。圖中w是矩形口徑的寬度，a是圓形口徑的半徑R稱為斜徑，從口徑中心到波導(dǎo)與喇叭接口處的距離是軸長(zhǎng) L。 由饋電波導(dǎo)中的傳輸模式可求出喇叭口徑面上場(chǎng)的振幅分布，其相位分布近似為平方律相差。設(shè)由頂點(diǎn)發(fā)出的是球面波，則斜徑R與軸長(zhǎng)L的差是 (121)用波長(zhǎng)去除，得到平方律相差的無量綱常數(shù)S (122)由于多數(shù)實(shí)用喇叭天線的半張角是小的，所以采用平方律相差近似。1.3.2給定增益設(shè)計(jì)喇叭下表中同時(shí)列出了以S作為參變數(shù)的圓錐喇叭漸

31、變振幅和相位誤差損失值。利用此表容易求得已知喇叭參數(shù)的增益，或已知（給定）增益設(shè)計(jì)喇叭天線。圖16 圓錐喇叭的波瓣寬增益與口徑直徑關(guān)系式 (123)其中 dB (124) 圖17 增益與口徑半徑關(guān)系 我們能夠獲得已知增益使斜徑最短的最佳圓錐喇叭。對(duì)于一定的斜徑，當(dāng)我們畫出增益隨口徑半徑變化的曲線時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)使增益最大的口徑半徑值不是一個(gè)固定值，而是一個(gè)較寬的范圍。用增益為縱坐標(biāo)，給出一組這樣的曲線，由圖可以看出，過增益最大值可以搭出一條對(duì)應(yīng)于S=0.39的線。這就是GF=2.85dB(ATL+PEL)的最佳喇叭。1.3.3根據(jù)參數(shù)要求計(jì)算尺寸參數(shù)尺寸參數(shù)：矩形波導(dǎo)尺寸a×b=7.112

32、mm×3.556mm ，波導(dǎo)端口至圓錐頂部長(zhǎng)5mm ，天線中心頻率f0=35GHz ，圓錐喇叭口徑與高度自行設(shè)計(jì)。要求：工作頻率附近最大輻射方向上增益在20dB以上；S11小于-20dB。由關(guān)系式代入數(shù)據(jù)（令增益G=22dB;GF=2.85dB，S=0.39），求得，喇叭開口直徑d=47.68637mm 圓錐高度h=81.62395mm，至此工程方法設(shè)計(jì)完成，求得待求圓錐喇叭尺寸參數(shù)，由此進(jìn)入HFSS 15.0 進(jìn)行仿真進(jìn)一步分析其性能。第2章 HFSS仿真喇叭天線2.1 HFSS簡(jiǎn)介經(jīng)過二十多年的發(fā)展，HFSS以其無以倫比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩(wěn)定

33、成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高效地設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu)，包括：射頻和微波部件、天線和天線陣及天線罩，高速互連結(jié)構(gòu)、電真空器件，研究目標(biāo)特性和系統(tǒng)/部件的電磁兼容/電磁干擾特性，從而降低設(shè)計(jì)成本，減少設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。HFSS High Frequency Structure Simulator,Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件,目前已被ANSYS公司收購;是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡(jiǎn)潔直觀的用戶設(shè)

34、計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、Ludwig第三定義場(chǎng)分量和軸比。使用HFSS，可以計(jì)算： 基本電磁場(chǎng)數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問題； 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)； S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)； 結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解

35、決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。HFSS是當(dāng)今天線設(shè)計(jì)最流行的設(shè)計(jì)軟件。2.2 圓錐喇叭天線的仿真 工程方法設(shè)計(jì)完成，求得待求圓錐喇叭尺寸參數(shù)，由此進(jìn)入HFSS 15.0 進(jìn)行仿真進(jìn)一步分析其性能。2.2.1仿真步驟本章利用HFSS軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)圓錐喇叭天線，此天線中心頻率為35GHZ，采用矩形波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)。本節(jié)先介紹了如何在HFSS中實(shí)現(xiàn)對(duì)圓錐喇叭和矩形波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)的建模，然后介紹波端口激勵(lì)源和輻射邊界的設(shè)置，最后生成的仿真結(jié)果。 圖 2 - 1 圓錐喇叭天線模型1建立新的工程2設(shè)置求解類型（1）在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Soluti

36、on Type。（2）在彈出的Solution Type窗口中，選擇Driven Modal。3設(shè)置模型單位（1）在菜單欄中點(diǎn)擊Modeler>Units。（2）設(shè)置模型單位為毫米（下拉選擇mm）。4設(shè)置模型的默認(rèn)材料在工具欄中設(shè)置模型的默認(rèn)材料為真空（vacuum)。5創(chuàng)建喇叭模型 （1）創(chuàng)建圓錐喇叭（a）在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Cone。（b）在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓錐中心點(diǎn)的坐標(biāo): X:0.0 ,Y:0.0,Z:86.62395,按回車鍵結(jié)束輸入。（c）在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓錐下部半徑（lower radius）： dX:23.84368,dY:0.0,dZ:0.0,按回車鍵結(jié)束輸

37、入。（d）在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓錐上部半徑（upper radius）： dX:-23.84368,dY:0.0,dZ:0.0,按回車鍵結(jié)束輸入。（e）在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓柱的高度： dX:0.0,dY:0.0,dZ:-81.62395,按回車鍵結(jié)束輸入。 （f） 在屬性（Property)窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該圓柱的名字修改為Cone1。 （2）創(chuàng)建矩形波導(dǎo) （a）在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Box（b）在坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方體底面一頂點(diǎn)的坐標(biāo): X:1.778 ,Y:3.556,Z:0,按回車鍵結(jié)束輸入。（c）在坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方體底面對(duì)角頂點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo): dX:3.55

38、6,dY:-7.112,dZ:0,按回車鍵結(jié)束輸入。（d）在坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方體高度: dX:0,dY:0,dZ:30,按回車鍵結(jié)束輸入。（注：此高度任意，使上底面從喇叭內(nèi)露出即可）（e） 在屬性（Property)窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該長(zhǎng)方體的名字修改為Box1。 （3）組合圓錐以及波導(dǎo) 在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Box。（b）在坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方體底面一頂點(diǎn)的坐標(biāo): X:30 ,Y:30,Z:0,按回車鍵結(jié)束輸入。（c）在坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方體底面對(duì)角頂點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo): dX:-60,dY:-60,dZ:0,按回車鍵結(jié)束輸入。（d）在坐標(biāo)輸入欄中輸入長(zhǎng)方體高度: dX

39、:0,dY:0,dZ:100,按回車鍵結(jié)束輸入。 （e）命名為Box2 （3）設(shè)置邊界條件（a）在菜單欄中點(diǎn)擊Edit>Select>Faces（b）選擇圓錐喇叭表面以及矩形波導(dǎo)前后左右四側(cè)面（注：在選面前可右鍵單擊Box2，彈出菜單中選View>Hide in Active View將其隱藏，方便選?。＃╟）在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E（d）在設(shè)置窗口中，將邊界命名為PerfE1,點(diǎn)擊OK結(jié)束。 （4）設(shè)置輻射邊界 （a）在菜單欄中點(diǎn)擊Edit>Select>By Name。 （b）在對(duì)話框中

40、選擇Box2，點(diǎn)擊OK結(jié)束。 （c）在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Boundaries>Assign>Radiation。（d）在輻射邊界窗口中，將輻射邊界命名為Rad1,點(diǎn)擊OK結(jié)束。在菜單欄中點(diǎn)擊Edit>Select>Faces。（b）單擊 11查看求解收斂結(jié)果圖 2 - 2 收斂結(jié)果（1）點(diǎn)擊菜單欄中HFSS> Result>Solution Data。（2）點(diǎn)擊Convergence標(biāo)簽可以看到求解的收斂結(jié)果。12后處理操作（1）2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)。在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Results>Create Far Report。 （a）選擇：Radiatin Patten。 （b）在Context窗口中，設(shè)置： 在Trace