浙江大學-電磁場與電磁波實驗(第二次)15頁

1、本科實驗報告課程名稱：電磁場與微波實驗姓 名：wzh學 院：信息與電子工程學院專 業(yè)：信息工程學 號：xxxxxxxx指導教師：王子立選課時間：星期二9-10節(jié)2017年 6月 17日CopyrightAs one member of Information Science and Electronic Engineering Institute of Zhejiang University, I sincerely hope this will enable you to acquire more time to do whatever you like instead of struggl

2、ing on useless homework. All the content you can use as you like. I wish you will have a meaningful journey on your college life.W z h實驗報告課程名稱： 電磁場與微波實驗 指導老師： 王子立 成績：_實驗名稱： CST仿真、喇叭天線輻射特性測量 實驗類型： 仿真和測量 同組學生姓名： 矩形波導饋電角錐喇叭天線CST仿真一、實驗?zāi)康暮鸵?. 了解矩形波導饋電角錐喇叭天線理論分析與增益理論值基本原理。 2熟悉 CST 軟件的基本使用方法。3利用 CST 軟件進行矩

3、形波導饋電角錐喇叭天線設(shè)計和仿真。二、實驗內(nèi)容和原理1. 喇叭天線概述 喇叭天線是一種應(yīng)用廣泛的微波天線，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、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，可以取得良好的輻射特性：相當尖銳的主瓣，較小副瓣和較高的增益。因此喇叭天線在軍事和民用上應(yīng)用都非常廣泛，是一種常見的測試用天線。喇叭天線的基本形式是把矩形波導和圓波導的開口面逐漸擴展而形成的，由于是波導開口面的逐漸擴大，改善了波導與自由空間的匹配，使得波導中的反射系數(shù)小，即波導中傳輸?shù)慕^大部分能量由喇叭輻射出去，反射的能量很小。 2. 喇叭天線的分類矩形波導饋電的喇叭天線 根據(jù)喇叭擴展的形式不同分為：E 面扇形喇叭

4、，由擴展其窄邊形成；H 面扇形喇叭，由擴 展其寬邊形成；角錐喇叭，由寬邊、窄邊同時擴展形成。三種類型的矩形波導饋電的喇叭天 線示意圖如圖 2（a）-（c）所示。 圓波導饋電的喇叭天線 圓波導饋電的喇叭一般是圓錐喇叭，如圖 3 所示實驗中采用的是矩形波導饋電的角錐喇叭天線。 3. 矩形波導饋電角錐喇叭天線理論分析 1) 尺寸確定 角錐喇叭天線是對饋電的矩形波導在寬邊和窄邊均按一定的角度張開的，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3 所示。矩形波導的尺寸為ab，喇叭口徑尺寸為DHDE，喇叭高度為L，其 H 面（xz面）內(nèi)虛頂點到口徑中點的距離為 R1，E面（yz面）內(nèi)虛頂點到口徑中心的距離為R2。根據(jù)實際矩形波導饋電

5、角錐喇叭天線，該天線工作在X波段，工作頻段為8.2-12.4GHz。根據(jù)工作的頻段，選擇X波段的標準矩形波導作為饋電波導a=22.86mm , b=10.16mm 。同時選擇合適的角錐參數(shù)DH=141 mm , DE=105mm,L=200mm獲得較好的天線增益。2) 矩形波導饋電的角錐喇叭天線的增益理論值對于矩形波導的尺寸為ab，喇叭口徑尺寸為DHDE，喇叭高度為L的角錐喇叭天線?？梢杂孟鹿絹砉浪阍撎炀€的增益。GG，GE ,可以由表1得，其中參數(shù)，,可由公式2-9求得。根據(jù)公式1-9以及表格1，可以估算出本實驗中用到的矩形波導饋電的角錐喇叭天線的理論增益約為19.35dB。三、主要儀器設(shè)備

6、裝有CST軟件的電腦四、操作方法和實驗步驟a. CST 初始設(shè)置打開CST軟件，選擇New Project-MICROWAVES&RF-Antennas-Waveguide(Horn,Cone,etc.)-TimeDomain-Dimensions:mm;Frequency:GHz； b. 建立模型 參數(shù)設(shè)置 參數(shù)設(shè)置在實驗窗口的下方。 創(chuàng)建矩形點擊 Modeling-Shape-Brick，直接按Esc鍵，彈出窗口，輸入數(shù)據(jù)，Layer選擇PEC 建立喇叭模型喇叭口徑面：Modeling-Curves-Rectangle；Modeling-Curve Tools-Cover Curve設(shè)置喇

7、叭口徑面的空間位置：Modeling-Transform-Translate創(chuàng)建喇叭側(cè)壁：Modeling-Picks-Pick Face，選中漸變的兩個口徑面，Modeling-Loft，側(cè)壁創(chuàng)建完成全層相加：Modeling-Boolean-Add 命令使整個 PEC 層變成一個物體。掏空：選擇面：分別選取物體前后兩個面 掏空生成喇叭：Modeling-Shape tools-Shell Solid or Thicken Sheet； 完成整個天線的 CST 建模。c. 設(shè)置仿真條件 仿真頻率設(shè)置： Simulation-Frequency 仿真邊界條件設(shè)置： Simulation-Bac

8、kground(設(shè)置為 Normal)；Simulation-Boundaries(設(shè)置為 open (add space)； 端口設(shè)置 選取波導口面：Modeling-Picks-Pick Face； 設(shè)置波導端口，輸入?yún)?shù)后確定模式吸收數(shù)（Number of modes =5）：Simulation-Waveguide Port； 設(shè)置監(jiān)視器 Simulation-Field Monitor-Farfield（RCS）（中心頻率：10.3GHz）。1. 模式分析a. 模式分析設(shè)置 Simulation-Start Simulation-Source type: All Ports Mode

9、s: All Simulation-Setup Solverb 模式仿真分析 Simulation-Solver-Logfile-Solve Logfile；2. 仿真及仿真結(jié)果a.仿真設(shè)置 Simulation-Start Simulation-Stimulation settings (Source type :Port 1;Mode :1)b.1D Results 在1D Results中S11和駐波曲線c.Farfield方向圖：Farfield-Abs Farfeild Plot-DirectivityFarfeild Plot-Polar(Cut angle：90（phi）； St

10、ep Size：1)增益：Farfeild-AbsFarfeild Plot-Gain(IEEE)Farfield Plot- Polar(Cut angle：90（phi）； Step Size：1)d.E-field，H-field設(shè)置 E-field，H-field and surface current 監(jiān)視器，表面電流的仿真觀察基模電場分布：選擇左側(cè)菜單 2D/3D Results-Port Modes-Port1-e1五、實驗結(jié)果與分析1. 模式仿真分析 仿真最高頻率為14.6GHz，根據(jù)仿真結(jié)果可見此結(jié)構(gòu)喇叭天線中只傳播一種模式的波。 2. S11和駐波曲線 3. VSWR曲線

11、4. 方向圖:Farfield-Abs 5. 增益圖:Farfield-Abs6E-field,H-field表面電流仿真圖端口基模電場圖六、分析、討論、心得本次實驗我們接觸了CST仿真，見識到了CST在電磁場仿真的直觀性。從結(jié)果上來看，主瓣方向為=0，=0，主瓣寬度大約為18，主瓣的最大增益為23.32dB，與理論值差不多。喇叭天線的輻射特性測量一、實驗?zāi)康暮鸵?、揭示喇叭天線的幅射特性。2、覆蓋的基本概念：1天線輻射方向圖2波束寬度3天線的極化特性4電磁波在空間傳播中與距離的關(guān)系3、學會操作使用喇叭天線，并能進行相應(yīng)的測量。4、能夠使用matlab對數(shù)據(jù)進行必要的處理，與理論值進行匹配，

12、分析實驗結(jié)果。二、實驗內(nèi)容和原理描述天線的參量很多，擇其主要的有：天線方向性、輻射方向圖、波束寬度、旁瓣電平、工作頻 率與響應(yīng)、效率等等。除此之外，天線發(fā)射（或接收）的電磁波都具有極化特性，極化是指電磁波電場矢量的方向，所以接收機接收到的信號大小跟收、發(fā)天線的安裝方向有關(guān)。發(fā)射天線所發(fā)射電磁波的極化方向與接收天線的極化方向一致時，接收信號最大，若兩者正交，接收機將接收不到信號。本實驗用3公分波段（8-12GHz）喇叭天線揭示天線方向性、波束寬度、波的極化特性。裝置包括三部分：分別是信號發(fā)射端、接收端和天線移動架。發(fā)射端由固態(tài)振蕩源、微波衰減器、小喇叭天線連接組成，并裝在一個旋轉(zhuǎn)云臺上。發(fā)射端喇

13、叭天線可以繞矩形波導軸向旋轉(zhuǎn)，由此可以改變發(fā)射電磁波的極化方向，其極化角度可從指示刻度盤讀出；發(fā)射功率的大小可用微波衰減器來調(diào)節(jié)。云臺可在垂直面和水平面上轉(zhuǎn)動，用于測量發(fā)射天線的方向性特性；發(fā)射端還裝有一個可移動的金屬柵網(wǎng)；天線移動架可以使發(fā)射端沿著移動架軌道平移，從而改變收、發(fā)喇叭天線之間的距離，其測量值可以從移動架上的刻度尺讀取。接收端將喇叭天線與微波晶體檢波器連接在一起固定不動。用到的方程為：其中R為收、發(fā)天線間距離。（本實驗R取收發(fā) 天線喇叭口之間的距離）。最佳角錐喇叭天線增益：（AP為喇叭口的面積）三、主要儀器設(shè)備喇叭天線四、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理相對歸一化公式： 1. 根據(jù)測得的數(shù)據(jù)作

14、出電磁波傳播與距離的關(guān)系曲線距離 R(m)實驗測量值(dB)相對歸一化功率1-4311.1-450.7943282351.2-45.30.7673614891.3-46.70.6531305531.4-47.50.5956621442、所作出的電磁波傳播與距離的關(guān)系曲線接近1/R、1/R2，還是1/R3與理論預(yù)期值符合嗎？看上去和1/R2比較符合。和理論值，曲線應(yīng)當與1/R2接近，實驗測試值與理論結(jié)果有一定差距。誤差分析：實驗與理論符合較好，但還是與標準曲線還有一定的差距，據(jù)分析和當時測量時大氣環(huán)境，周圍人的走動都有關(guān)系。3、根據(jù)數(shù)據(jù)作出發(fā)射喇叭天線極化曲線，橫坐標為天線極化角度。發(fā)射喇叭天線

15、角度 q實驗測量值(dB)相對歸一化功率0-43110 -43.30.97 20 -43.80.91 30 -44.60.83 40 -45.80.72 50 -47.80.58 60 -51.30.38 70 -56.30.22 80 -64.20.09 90 -77.80.02 4、（1）從發(fā)射喇叭天線極化特性曲線看，接收喇叭天線所接收到的功率與發(fā)射喇叭天線極化角度的關(guān)系是符合還是關(guān)系？結(jié)果介于和之間，更接近于。我們和其他同學做的數(shù)據(jù)進行交流以后，都發(fā)現(xiàn)了這個（2）如果發(fā)射喇叭天線和接收喇叭天線的極化角相差 90，而極化器相對于發(fā)射喇叭天線的極化角度為 45，極化器對系統(tǒng)的影響如何？ 接受

16、波為入射波的1/2;5、對發(fā)射天線計算遠區(qū)場距離（工作頻率 9.375GHz），實驗中是否符合遠區(qū)場條件？=c/f=3.2cm，=18.96cmR=1m符合遠區(qū)場條件6、分別計算收、發(fā)天線理論增益，半功率波束寬度（假定1k）。有什么結(jié)論？1) 發(fā)射喇叭天線H面：E面：2) 接收喇叭天線H面：E面：口徑越大，增益越大，半功率波束寬度越小。7、用極坐標系分別繪制發(fā)射喇叭天線在水平面上、垂直面上的方向圖。天線水平方向轉(zhuǎn)角實際測量值(dB)相對歸一化功率-90 0-800-700-60-840.01 -50-810.01 -40-73.70.03 -30-66.50.06 -20-51.70.34 -

17、10-43.40.89 0-42.41.00 10-44.60.78 20-51.50.35 30-64.80.08 40-720.03 50-78.20.02 60-830.01 700800900天線垂直方向轉(zhuǎn)角實際測量值(dB)相對歸一化功率-60-740.03 -50-690.05 -40-570.19 -30-51.60.35 -20-45.80.68 -10-43.50.88 0-42.41.00 10-43.50.88 20-45.70.68 30-49.50.44 40-570.19 50-66.50.06 60-740.03 8、比較半功率波束寬度的計算值與實測值，并對你的實驗結(jié)果加以評論。水平半功率波束寬度實測值大約在25度左右，相比于理論值小很多，垂直半功率波束寬度實測值大約在