實驗六-雙模圓錐喇叭天線的設(shè)計與仿真

1、實驗六雙模圓錐喇叭天線的設(shè)計與仿真一、實驗?zāi)康?.設(shè)il一個雙模圓錐喇叭天線2查看并分析該雙模圓錐喇叭天線的收斂結(jié)果、遠(yuǎn)場方向圖及喇叭軸比曲線、喇叭駐波比信息二、實驗設(shè)備裝有HFSS 13.0軟件的筆記本電腦一臺三、實驗原理圓錐喇叭一般采用圓波導(dǎo)饋電，描述圓錐喇叭的尺寸有口徑直徑D,喇叭長度R。圓錐喇叭的口徑場的振幅分布與圓波導(dǎo)中的TE11相同,但是相位按平方律沿半徑方 向變化。下圖計算了不同軸向長度圓錐喇叭的方向系數(shù)與口徑直徑的關(guān)系。從圖中可以看出，圓錐喇叭仍然存在著最佳尺寸。與矩形喇叭類似，當(dāng)軸向長度一泄時，增大 口徑尺寸的效果將以增大口徑而積為優(yōu)勢逐漸地轉(zhuǎn)向以平方相位偏移為優(yōu)勢。最佳圓錐

2、喇叭的主瓣寬度與方向系數(shù)可以由以下公式近似汁算:2%s “(ra) = 1.22 2A(raJ) = l.O50.5(如尸2在增益最大值（圖中虛線）處，可歸納出R與D的近似關(guān)系喇叭天線通過饋電段向移相段輸入電磁場，通過波模的激勵、傳輸和控制到達喇叭口而形成口而場，由口而場向空間輻射，在輻射區(qū)干涉疊加，形成了輻射場在空間的 分布幅度方向圖和相位方向圖,并得到各項輻射性能。在雙模圓錐喇叭中，使用主模TM11和列一個髙次模TE11,主模圓波導(dǎo)的模在臺階處激發(fā)若干高次模，選擇尺寸a、A、 臺階比p = a/A,使之能傳輸TM11和TE11模，其余可能激起的髙次模被截止。喇叭作為反射而天線的饋源，苴相位

3、中心位置可采用解析方法或?qū)嶒灱夹g(shù)來確左，但是解析 方法一般較煩瑣，且只有少數(shù)的結(jié)構(gòu)有解析公式,多采用實驗技術(shù)來確左天線的相位中心。因為圓錐喇叭結(jié)構(gòu)具有對稱性，所以其相位中心就在英軸線上虛頂點與口而中 心之間的某處。在實驗之前先對喇叭進行電磁仿真，初步確左苴相位中心的位巻，再根據(jù)實驗的測試數(shù)搦進一步確定其相心的位置。相心位宜用Q表示，即軸線上相位中 心到喇叭口而中心的距離,如下圖所示。雙模圓錐喇叭的遠(yuǎn)區(qū)輻射場為:四、實驗內(nèi)容設(shè)計一個雙模圓錐喇叭天線，其指標(biāo)要求如下:1+Mn1.847/3.83)7,(1.84)COS& +1.841/1中心頻率為：5GHz； 采用圓波導(dǎo)喇叭饋電結(jié)構(gòu),并使

4、用兩個激勵模式，該兩個模式的初始誤差為90。,構(gòu)成圓極化。最后得到駐波比、二維輻射遠(yuǎn)場和圓極化軸比的仿真結(jié)果。五、實驗步驟1建立新工程了 方便建立模型，在Tool>Oplions>HFSS Options中講Duplicate Boundaries with geometry復(fù)選框選中。2將求解類型設(shè)置為激勵求解類型：(1) 在菜單欄中點擊HFSS>SolutionType。(2) 在彈出的Solution Type窗口中(a) 選擇Driven ModaL(b) 點擊OK按鈕。3設(shè)置模型單位(1) 在菜單欄中點擊3D Modeler>UnitSo(2) 在設(shè)置單位窗口

5、中選擇：in。4設(shè)垃模型的默認(rèn)材料在工具欄中設(shè)宜模型的默認(rèn)材料為真空(vacuum)。5創(chuàng)建喇叭模型(1) 創(chuàng)建Wave guide a創(chuàng)建圓柱模型，半徑為0.838in,髙度為3.0in。(2) 創(chuàng)建相對坐標(biāo)系。以圓柱上底而圓心作為坐標(biāo)原點創(chuàng)建一個新的坐標(biāo)系，在新的坐標(biāo)系中繼續(xù)創(chuàng)建模型。坐標(biāo)系原點坐標(biāo)：X： (3) 創(chuàng)建Tapero圓心點的坐標(biāo)：X： 在坐標(biāo)輸入欄中輸入：在坐標(biāo)輸入欄中輸入:在坐標(biāo)輸入欄中輸入：(4) 創(chuàng)建相對坐標(biāo)系。坐標(biāo)系原點坐標(biāo)：X： (5) 創(chuàng)建Throat。圓柱中心點的坐標(biāo)：X： 圓柱半徑：dX： 1.547JY： 0.0,dZ： 0.0輸入圓柱的髙度：(6) 將已建

6、立的模型組合起來,使之成為一個整體。(7) 為組合模型重新命名，命名為Horn-Airo(8) 選擇全局坐標(biāo)系。(9) 設(shè)置模型的默認(rèn)材料。在設(shè)苣材料窗口中選擇pec材料。(10) 創(chuàng)建Horn Wall.圓柱中心點的坐標(biāo)：X： 圓柱半徑：圓柱的髙度：1/1(11)完成Horn的建立。6創(chuàng)建輻射邊界(1) 設(shè)置模型的默認(rèn)材料。在設(shè)程材料窗口中選擇vacuum,點擊OK按鈕。(2) 創(chuàng)建Air。圓柱中心點的坐標(biāo)：X： 圓柱半徑：圓柱的高度：(3) 設(shè)宜輻射邊界，將輻射邊界命爼為Radi。7創(chuàng)建波端口，將名字修改為pl(1) 圓心的坐標(biāo)：X： 0.0,Y： 1.07： 0.0；圓半徑：(2) 設(shè)置

7、波端口。對于Model設(shè)置積分線Integration Line中點擊None,選擇New Line,在坐標(biāo)欄中輸入：X： &輻射場角度設(shè)宜(1)設(shè)立相對坐標(biāo)系，將坐標(biāo)系原點設(shè)置在喇叭口面的圓心位置。在坐標(biāo)輸入欄中輸入坐標(biāo)系原點坐標(biāo)：X： (2 )在菜單欄中點擊HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphereo(3) 在輻射遠(yuǎn)場對話框中做以下設(shè)宜：(a) 在Infinite Sphere標(biāo)簽中：Name： ff-2dPhi： (Start： O.Stop： 9O.Step Size： 90)Theta： (St

8、art： -180,Stop： 180?StepSize： 2)(b) 在Coordinate System標(biāo)簽中:選擇Use Local Coordinate System和Relative CS39求解設(shè)宜在求解設(shè)置窗口中做以下設(shè)垃：Solution Frequency:5.0GHzMaximum Number of Passes: 10Maximum Delta S per Pass:0.0210.保存工程11求解該工程12. 査看求解收斂結(jié)果13. 2D輻射遠(yuǎn)場(1)編借激勵源。在設(shè)程波端口激勵時，我們設(shè)置了兩個激勵模式。HFSS在計算時，一般只激勵第一個模式，計算結(jié)束后需要將第二個模

9、式也激勵起來。兩個模式的初始相位相差90。, 因此該喇叭天線是一個圓極化天線。(a) 在菜單欄中點擊 HFSS>Fields>Edit Source。(b) 在Edit Sources窗口中做以下設(shè)置：pl端口的模式1：幅度：1.0：相位：0.0pl端口的模式2：幅度：1.0：相位：90.01/1六、實驗結(jié)果仿真圖如下:收斂結(jié)果如下:T oeCttMFCUCOMM4R>«PMM« T I C<wt I喇叭的遠(yuǎn)場方向圖如下:遠(yuǎn)場增益如上圖所示，由于引入了適當(dāng)?shù)捏{次模，使口徑場在兩個而的分布規(guī)律近似相等。在水平角時,E而和H而的波瓣基本重合。最大輻射場出

10、現(xiàn)在俯仰角(正Z方向)處，此時左圓極化增益約為11.8285dB0喇叭軸比曲線圖如下：XY Plot 1仔SSD咖M 上40003000Av1D00卜2< J-20000-150 00iWOOCurve "2gtAcnQo FT5GY PN*0<T CB3«iR»lOVHl0) Spl UuUd加 F W4GY *次O切100 00150 0020000由上圖可知，在很寬的范圍內(nèi)(-70° <<70°)，軸比都小于3dBa喇叭駐波比信息如下:Freq GHzVSWR(p1:1)Setupl : LastAdaptiveVSWR(p1:2)Setupl : LastAdaptive15.0000001.1367541.140106由上圖可知,當(dāng)中心頻率為5GHz時，駐波比為1.140106a七、問題思考1/1本實驗所設(shè)汁的雙模圓錐喇叭天線是在圓錐喇叭的頸部加入一個不連續(xù)段,調(diào)整不連續(xù)斷的長度和直徑而設(shè)訃成的。實現(xiàn)了輻射髙效率的目的。對天線進行了仿頁 結(jié)果表明，設(shè)計制作的天線各項指標(biāo)均符合設(shè)