矩形天线书概要Word格式文档下载.docx

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1、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。

2、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。

（1）当矩形波导前端面开口时，也同样能产生电磁辐射，只是因为口面直径太小，按面天线理论，口面积越大，辐射场越强，方向性越好。

这样由矩形波导前端面产生的辐射场强将较弱，方向性也相对较差。

如果采用开口形状喇叭，口面积相对增大，辐射场也将增强；

（2）当矩形波导前端开口时，将造成电磁波在波导内、外的存在空间不同。

两个大小不同的空间环境对电磁波呈现的阻抗也不相同，其结果就是电磁波在波导中形成驻波形式，影响能量传输。

如把波导开口做成喇叭形状，可以使电磁波由波导传到大空间时有一个渐变过程或过渡过程，这样能减缓阻抗的骤变，使电磁波在波导内传输时的驻波成份减少，有利于提高能量在波导中的传输效率。

（2）当矩形波导前端做成喇叭形状，电磁波载波道中的传输效率得到了提高，但由于喇叭和矩形波导形状上的差异，必将导致传到喇叭中电磁波的波阵面成为柱面（与矩形波导对应的喇叭）或球面形状（与圆形波导对应的喇叭）。

这样在喇叭口面上形成的口面场Es成为非均匀口面场结构，即在口面上各点Es的相位和振幅大小不再相等，这将造成喇叭天线辐射场方向性变坏 

2 

矩形喇叭天线口面场相位分布特点 

根据天线辐射场一般表示式，其辐射场EHqj和最终是由口面场Es决定的。

因此对口面场Es的振幅和相位分析，就成为分析喇叭天线的首要问题。

以H面扇形喇叭天线为例，并假定激励H面扇形喇叭的巨型波导TE10型波。

由于H面扇形喇叭相当于矩形波导宽边x逐渐扩展而成，因此其口面场EssyE=的相位将随宽边x坐标发生变化，与保持不变的窄边y无关，或者说Esy相位沿窄边y保持均匀分布，如图6-5-3所示。

图中Dx、Dy为H面扇形喇叭天线的口径宽度；

Rx、Ry分别为H面和E面扇形喇叭天线的长度；

O为喇叭天线的顶点，也叫相位中心，相当于喇叭天线的辐射中心，或者说球面波是由这样的一个虚设点发出的。

在图6-5-2和图6-5-3中，把口面场Es=Esy沿宽边x和窄边y的相位关系表示成：

而

由于H面扇形喇叭天线的等效长度Rx一般远大于其口面尺寸Dx、Dy，即Rx>

>

x，利用幂级数把

展开，可得到：

（6-5-3）

只保留x2项，得到：

（6-5-4）

与此对应的相移量最大值为：

（在喇叭口面边沿处）（6-5-5）

这就是说，对H面扇形喇叭天线，其口面场Esy方向虽沿窄边y轴方向，但其相位却沿变化了的宽边x方向发生变化。

当设口面中心O’为相位零点，在口面x方向边沿位置，口面场Esy具有最大相移量

，显然相位随坐标变量成平方率分布。

按同样道理，对于E面扇形喇叭天线，由于窄边y逐渐张开，其口面场Esy相位沿y轴方向也一定发生变化，而相位沿宽边x轴却保持不变，用数学式子表示出来就是：

（6-5-6）

在y轴边沿处相移量最大值

。

对楔形角锥喇叭天线，由于宽边x、窄边y同时逐渐张开，在这两个方向上口面场相位也会按平方率变化，用数学式子表示出来就是：

与此对应的相位最大值为

，相当于沿变化了的宽边x、窄边y均按平方率变化。

3、矩形喇叭天线口面场振幅分布

对于矩形喇叭天线，可以看成是由矩形波导沿不同边逐渐张开而形成，因此，在矩形喇叭天线中，其口面场相位除随变化边坐标按平方律分布外，振幅总是随宽边x按余弦规律分布。

对于和矩形波导连接的楔形喇叭，不管其口面场Es=Esy沿那个边张开形成，其振幅沿窄边y轴方向是均匀的，而沿宽边x方向振幅按余弦规律变化；

而相位却随变化的那条边按，平方率变化。

正因为喇叭天线口面场分布不均匀，导致喇叭天线辐射场方向性较差，因而它只能作为一般面天线的照射器，而不能作为独立的面天线使用。

4、喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭

只要把各种喇叭天线口面场分布函数带入口面辐射场一般表示式中，即可得到喇叭天线的辐射场何方向函数。

把E面扇形喇叭口面场分布函数代入E面辐射场表示式中，并令参数

，

，其中Dy为y方向口径最大值，可画出E面扇形喇叭天线E面方向图。

把H面扇形喇叭口面场分布函数代入H面辐射场表示式中，并令参数

，其中Dx为x方向口径最大值，可画出H面扇形喇叭天线H面方向图。

图6-5-4E面喇叭的E面方向图图6-5-5H面喇叭的H面方向图

在图6-5-4中，

曲线对应等的幅同相位口面辐射场（均匀口面场）的E面方向图。

图6-5-5中，

曲线对应振幅按余弦同相位口面辐射场H面方向图。

由以上两图可见，把s=0和t=0对应的口面辐射场与st不等于0的方向图作比较，其最明显的差别有两点：

零点消失，主瓣变宽；

过大的口面场相位偏差使

不再是最大的辐射方向，而整个喇叭天线的辐射方向图形类似马鞍形。

对于喇叭天线，为了获得较好的辐射方向图，使最大辐射方向保持在

方向位置上，也就是沿着喇叭天线口面的法线方向，工程上规定E面扇形喇叭口面场的最大相位差不超过

，也就是：

对于H面扇形喇叭，保持最大辐射在

方向上，规定其口面场最大相位偏差为：

这一数值比E面扇形喇叭的限制宽松。

这是因为H面扇形喇叭口面场振幅岁呈余弦分布，但在口面边沿位置其振幅绝对值较小，这样即使在该位置有较大的相位偏差，对整个H面扇形喇叭天线辐射场方向性影响仍不会太大。

根据面天线方向系数计算式可得到楔形喇叭天线的方向系数为：

其中DH与DE分别为H扇形喇叭河E面扇形喇叭的方向系数，它们的大小为：

（6-5-15）

其中C（u）和S（u）为菲涅尔余弦和正弦积分，即：

而其它参变量为：

图6-5-6和图6-5-7分别画出了H面扇形喇叭天线的方向系数和E面扇形喇叭天线的方向系数随其口径相对尺寸

和

的关系曲线。

为了消除方向系数对口径尺寸

的依从关系，图中纵坐标表示

与

、

的乘积，只要把从曲线纵坐标中查出的数值乘以

，就可得到不同口径面喇叭天线的方向系数DH与DE数值。

2.2理论模型

2.3参数计算

先将增益由分贝值转换为无量纲值，15dB转换为无量纲值31.6。

5Ghz工作频率对应的波长为2.36英寸喇叭用wr430矩形波导来馈电。

其尺寸为a=4.30英寸、b=2.15英寸。

然后将增益和波长值带入上式中。

可以计算出矩形喇叭的尺寸如下

a1=7.17英寸b1=4.93英寸Re=Rh=2.91英寸

在设计中，波导长度取1.25个波长。

同轴线馈电点位于波导宽边中心，馈电点和短路版之间的距离为0.25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。

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，同轴线内导体圆半径为0.025英寸，内导体在波导内大长度是波导窄边长度的一半为0.5b

结构名称

变量名

变量值/英寸

0.25波长

Length

0.59

波导宽度

a

4.30

波导高度

b

2.15

波导长度

wlength

2.95

喇叭口径宽度

a1

7.17

喇叭口径高度

b1

4.93

喇叭长度

plength

2.91

外导体半径

0.06

内导体半径

0.025

外导体长度

0.3

内导体长度

0.3in+b/2

3、基于HFSS的矩形天线仿真

3.1HFSS简述

HFSS–HighFrequencyStructureSimulator,Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,目前已被ANSYS公司收购;

是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。

HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有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。

HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；

绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。

使用HFSS，可以计算：

①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；

②端口特征阻抗和传输常数；

③S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；

④结构的本征模或谐振解。

而且，由AnsoftHFSS和AnsoftDesigner构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。

3.2HFSS仿真过程

3.3结果分析

4、总结

4.1工作总结

4.2存在问题

4.3设计心得

五、参考文献

[1]李明洋.HFSS电磁仿真软件应用详解[M].人民邮电出版社2010

[2]李莉.天线与电波传播[M].科学出版社2009