基于HFSS的圓錐喇叭天線設(shè)計

1、本科生科研訓(xùn)練結(jié)題報告 基于HFSS的圓錐喇叭天線設(shè)計 學(xué)院（系）：電子工程與光電技術(shù)學(xué)院 姓名、學(xué)號：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)知識和基本參數(shù)，其中著重介紹了喇叭天線及其設(shè)計,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，最后在軟件HFSS中進(jìn)行了仿真。本文對圓錐喇叭

2、天線的設(shè)計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141.3.1喇叭天線參數(shù)141.3.2給定增益設(shè)計喇叭161.3.3根據(jù)參數(shù)要求計算尺寸參數(shù)17第二章 HFSS仿真喇叭天線172.1 HFSS簡介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)對波段

6、的要求，天線的設(shè)計也不同。長中短波段，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驗研究發(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。第1章 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電波信號轉(zhuǎn)換成高頻電流能量送給接收機(jī)。為了能良好

8、地實現(xiàn)上述目的，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11 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)展既對天線提出許多新的研究方向，同時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)航和測向天線等；按照工作波長，可將天線分為長波天線，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

9、線，主要用于長波，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。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年建立了第一個天線系統(tǒng)，他當(dāng)時裝配的設(shè)備如今可描述為工作在米波波長的完整無線電系統(tǒng)，采用終端加載的偶極子作為發(fā)射天線，諧振環(huán)作為

10、接收天線。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信號到 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，為較長的波長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。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“共和國號”和“泰坦尼克號”海難事件，馬可尼的發(fā)明戲劇性地表現(xiàn)出在海事上的價值。因為在無線電問世之前，船舶在海上是完全孤立的，當(dāng)災(zāi)難來襲時，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

11、的通信衛(wèi)星正負(fù)載著天線運行于不同的軌道中，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)能夠為任何地面或空中的用戶不分晝夜晴雨地提供經(jīng)度、緯度和高度信息，其精確程度達(dá)到厘米級；載有天線陣的探測器在地面系統(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)；移動電話借助于天線為人們提供任何地點和任何人的通信。隨著人類活動向太空擴(kuò)展，對天線的需求也將增長到史無前例的程度，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

12、們發(fā)現(xiàn)終端開口的波導(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平面內(nèi)是不相同的，兩個主平面內(nèi)相位中心也不重合。喇叭作為反射面天線饋源時，要求它有確定的相位中心和接近圓對稱的初級方向圖，這樣，旋轉(zhuǎn)對稱的反射面天線，可以獲得接近圓對稱的次級方向圖，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稱，且工作頻帶寬。這兩種形式的喇叭，副瓣電平低，交叉極化

13、分量小，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，隨著軍事斗爭對毫米波制導(dǎo)需求的增長，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，并用作對其它天線進(jìn)行校準(zhǔn)和增益測試的標(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

14、，一般分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)簡單，功率容量大和高增益的優(yōu)點，所以在微波測量系統(tǒng)中被大量的用作標(biāo)準(zhǔn)測量天線。 1.2天線的基礎(chǔ)知識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，在其周圍空間會產(chǎn)生電場與磁場。按電磁場在空間的分布特性，可分為近區(qū)，中間區(qū)，遠(yuǎn)區(qū)。設(shè)R為空間一點距導(dǎo)體的距離，在R

15、/2時的區(qū)域稱近區(qū)，在該區(qū)內(nèi)的電磁場與導(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)電磁場能離開導(dǎo)體向空間傳播，它的變化相對于導(dǎo)體上的電流電壓就要滯后一段時間，此時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)域的電磁場稱為輻射場。發(fā)射天線正是利用輻射場的這種性質(zhì)，使傳送的信號經(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)對稱，線上對應(yīng)點電流大小和方向相反，且兩線間的距離。要使電磁場能有效地輻射出去，就必須破壞傳輸線的這種對稱性，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)體對稱性破

16、壞而產(chǎn)生輻射。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)體在空間點的輻射場同相迭加，構(gòu)成一個有效的輻射系統(tǒng)。這就是最簡單，最基本的單元天線，稱為半波對稱振子天線，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?，若電磁波傳播的方向上放一對稱振子，則在電磁波的作用下，天線振子上就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如此時天線與接收設(shè)備相連，則在接收設(shè)備輸入端就會產(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稱振子與接收設(shè)

17、備的匹配。圖12 半波對稱陣子天線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，因為他們把問題簡化了。他們不是自然的，然而，因為它們需要無限的功率。該玻印廷矢量描述兩個方向的傳播和功率密度的電磁波。這是從矢量穿過產(chǎn)生的電場和磁場中發(fā)現(xiàn)的，并標(biāo)注為S： S = E ×H* W/(11)均方根（RMS）值是用來表達(dá)場的重要性。H*是復(fù)雜的共軛的磁場相。磁場在遠(yuǎn)區(qū)場上是與電場成正比的。比例常數(shù)是，自由空間中的阻抗( = 376.73)： W/ (12)因為玻印廷矢量是兩個場的矢量的產(chǎn)物，這是正交的兩個場以及三

18、重定義了一個右手坐標(biāo)系統(tǒng)：(E, H, S)?？紤]一對以天線為核心的同心球形?？拷炀€的場減少為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被保存的功率一起增長。場方面的比例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)場的條件。只有1/條件的玻印廷矢量（1/R場條件）所代表的輻射功率，因為該球形的面積的增長為，并給出了一個常數(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。符號的輸入抗依賴于近區(qū)場的場類型的優(yōu)勢：電氣（電容式）或磁場（電感）。在共振（零抗）上儲存的能量是

19、平等的，因為是近區(qū)場。存儲場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和功率密度。功率流是相同的通過同心的球形：(13)平均功率密度是成正比于1/的?？紤]在同一坐標(biāo)的角度上的兩個球形的面積的差異。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部分都是與1/成正比的：(14)自從在一個輻射波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(15)輻射強(qiáng)度，只取決于輻射的方向

20、和在所有的距離上保持不變。一探針天線測量相對輻射強(qiáng)度（方向圖）是通過在天線的周圍移動軌跡在一個圓圈（常數(shù) R）上。當(dāng)然很多時候天線在旋轉(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量定位，而且它是必要的注釋，這些方向圖小心地在人們對不同定位器的測量方式之間去避免造成混亂。方向圖通過采用3個規(guī)模來衡量的：線性（功率），平方根（磁場強(qiáng)度），及分貝（dB）。該分貝的規(guī)模是最常用的，因為它揭示了更多的低層次的反應(yīng)（旁瓣）。1.2.3方向系數(shù)方向系數(shù)是能

21、定量的表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。(16)在最大輻射方向上 Emax=(17)上式表明，天線的輻射場與PrD的平方根成正比，所以對于不同的天線，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，輻射場之比為 =(18)若要求他們在同一r處觀察點輻射場相等，則要求(19)即所需要的輻射功率與方向系數(shù)成反比。方向系數(shù)的最終計算公式為 D= (110)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

22、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)體及其絕緣介質(zhì)都會產(chǎn)生損耗，因此輸入天線的實功率并不能全部轉(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 (111)輻射功率與輻射電阻之間的聯(lián)系公式為Pr= I²Rr, 依據(jù)電場強(qiáng)度與方向函數(shù)的聯(lián)系公式 (112)則輻射電阻的一般表達(dá)式為(113)則方向系數(shù)與輻射電阻之間的聯(lián)系為：(114)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 (115)Rl是歸算于電流I的損耗電阻，這樣 (11

23、6)注意，上式中Rr，Rl應(yīng)歸算于同一電流。一般來講，損耗電阻的計算是比較困難的，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： (117)在有效情況下，功率密度為無耗時的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

24、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)計中，對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。對于線天線來說，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藏在天線近區(qū)場中的功率。電尺寸遠(yuǎn)小于工作波長的天線,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+j

25、42.5歐。在實際應(yīng)用中，為了便于匹配，一般希望對稱振子的輸入電抗為零，這時的振子長度稱為諧振長度。諧振半波振子的長度比自由空間中的半個波長略短一些，工程上一般估計縮短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、饋電點位置、工作波長和周圍環(huán)境等因素有關(guān)。線天線的直徑較粗時，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)具有實數(shù)的阻抗。當(dāng)天線的阻抗為復(fù)數(shù)時，需要用匹配網(wǎng)絡(luò)

26、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，由發(fā)射機(jī)向天線或由天線向接收機(jī)傳輸?shù)墓β首畲?，這時在饋線上不會出現(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。對于發(fā)射天線來說，如果匹配不好，則天線的輻射功率就會減小，饋線上的損耗會增大，饋線的功率容量也會下降，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)發(fā)射機(jī)頻率“牽引”現(xiàn)象，即振蕩頻率發(fā)生變化?？诿嫘吞炀€的阻抗特性用饋線上某點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，稱作匹配。對口面型天線來說，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)點附近加上能夠產(chǎn)生相反反射的匹配元

27、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微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù) 微波網(wǎng)絡(luò)法廣泛運用于微波系統(tǒng)的分析，是一種等效電路法，在分析場分布的基礎(chǔ)上，用路的方法將微波元件等效為電抗或電阻器件，將實際的導(dǎo)波傳輸系統(tǒng)等效為傳輸線，從而將實際的微波系統(tǒng)簡化為微波網(wǎng)絡(luò)，把場的問題轉(zhuǎn)化為路的問題來解決。微波網(wǎng)絡(luò)理論在低頻網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，低頻電路分析是微波電路分析的一個特殊情況。微波系統(tǒng)主要研究信號和能量兩大問題：信號問題主要是研究幅頻和相頻特性；能量問題主要是研究能量如何有效地傳輸。微波系統(tǒng)是分布參數(shù)電路，必須采用場分析法，但場分析法過于復(fù)雜，因此需要一種簡化的分析方法。一般地，對于一

28、個網(wǎng)絡(luò)有Y、Z和S參數(shù)可用來測量和分析，Y稱導(dǎo)納參數(shù)，Z稱為阻抗參數(shù)，S稱為散射參數(shù)；前兩個參數(shù)主要用于集總電路，Z和Y參數(shù)對于集中參數(shù)電路分析非常有效，各參數(shù)可以很方便的測試；但是在微波系統(tǒng)中，由于確定非TEM波電壓、電流的困難性，而且在微波頻率測量電壓和電流也存在實際困難。因此，在處理高頻網(wǎng)絡(luò)時，等效電壓和電流以及有關(guān)的阻抗和導(dǎo)納參數(shù)變得較抽象。與直接測量入射、反射及傳輸波概念更加一致的表示是散射參數(shù)，即S參數(shù)矩陣，它更適合于分布參數(shù)電路。 S參數(shù)就是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網(wǎng)絡(luò)。同N端口網(wǎng)絡(luò)的

29、阻抗和導(dǎo)納矩陣那樣，用散射矩陣亦能對N端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行完善的描述。阻抗和導(dǎo)納矩陣反映了端口的總電壓和電流的關(guān)系，而散射矩陣是反映端口的入射電壓波和反射電壓波的關(guān)系。散射參量可以直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到，可以用網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)來計算。只要知道網(wǎng)絡(luò)的散射參量，就可以將它變換成其它矩陣參量。 圖19 二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)下面以二端口網(wǎng)絡(luò)為例說明各個S參數(shù)的含義，如圖所示。二端口網(wǎng)絡(luò)有四個S參數(shù)，Sij代表的意思是能量從j口注入，在i口測得的能量，如S11定義為從 Port1口反射的能量與輸入能量比值的平方根，也經(jīng)常被簡化為等效反射電壓和等效入射電壓的比值，各參數(shù)的物理含義和特殊網(wǎng)絡(luò)的特性如下：S11：端口2匹配

30、時，端口1的反射系數(shù)；S22：端口1匹配時，端口2的反射系數(shù)；S12：端口1匹配時，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)；S21：端口2匹配時，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)；對于互易網(wǎng)絡(luò)，有：S12S21；對于對稱網(wǎng)絡(luò)，有：S11S22 對于無耗網(wǎng)絡(luò)，有：（S11）2（S12）21 ；S21表示插入損耗，也就是有多少能量被傳輸?shù)侥康亩耍≒ort2）了，這個值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大傳輸?shù)男试礁?，一般建議S21>0.7，即3dB。我們經(jīng)常用到的單根傳輸線，或一個過孔，就可以等效成一個二端口網(wǎng)絡(luò)，一端接輸入信號，另一端接輸出信號，如果以Port1作為信號的輸入端口， Port2作

31、為信號的輸出端口，那么S11表示的就是回波損耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），這個值越小越好，一般建議S11< 0.1，即20dB。 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，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ǎ伨€上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。而當(dāng)天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，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

32、。在不匹配的情況下,饋線上同時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；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13 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= (118)回波損耗為(119)輸入阻抗為

33、(120)當(dāng)反射系數(shù)=0時，VSWR=1，此時，天線與饋線匹配，這意味著輸入端功率均被送到天線上，即天線得到最大功率。我們看到，其實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 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)的寬邊與窄邊同時展開而得到

34、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 L。 由饋電波導(dǎo)中的傳輸模式可求出喇叭口徑面上場的振幅分布，其相位分布近似為平方律相差。設(shè)由頂點發(fā)出的是球面波，則斜徑R與軸長L的差是 (121)用波長去除，得到平方律相差的無量綱常數(shù)S (122)由于多數(shù)實用喇叭

35、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)計喇叭下表中同時列出了以S作為參變數(shù)的圓錐喇叭漸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，會發(fā)現(xiàn)使增益最大的口徑半徑值不是一個固定值，而是一個較寬的范圍。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應(yīng)于S=0.39的線。這就是GF=2.85dB(

36、ATL+PEL)的最佳喇叭。1.3.3根據(jù)參數(shù)要求計算尺寸參數(shù)尺寸參數(shù)：矩形波導(dǎo)尺寸a×b=7.112mm×3.556mm ，波導(dǎo)端口至圓錐頂部長5mm ，天線中心頻率f0=35GHz ，圓錐喇叭口徑與高度自行設(shè)計。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

37、HFSS簡介經(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、計算機(jī)、通信等多個領(lǐng)域，幫助工程師們高效地設(shè)計各種高頻結(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)計成本，減少設(shè)計周期，增強(qiáng)競爭力。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

38、第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計功能，它可以計算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場方向圖剖面、遠(yuǎn)場3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。使用HFSS，可以計算： 基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場輻射問題； 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

39、 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)計解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設(shè)計手段，覆蓋了高頻設(shè)計的所有環(huán)節(jié)。HFSS是當(dāng)今天線設(shè)計最流行的設(shè)計軟件。2.2 圓錐喇叭天線的仿真 工程方法設(shè)計完成，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)計了一個圓錐喇叭天線，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中實現(xiàn)對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源和輻射邊界的設(shè)置，最后生成的仿真結(jié)果

40、。 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）在菜單欄中點擊HFSS>Solution 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）在菜單欄中點擊Draw>Cone。（b）在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓錐中心點的坐標(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

41、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）在菜單欄中點擊Draw>Box（b）在坐標(biāo)輸入欄中輸入長方體底面一頂點的坐標(biāo): X:1.778 ,

42、Y:3.556,Z:0,按回車鍵結(jié)束輸入。（c）在坐標(biāo)輸入欄中輸入長方體底面對角頂點的相對坐標(biāo): dX:3.556,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，將該長方體的名字修改為Box1。 （3）組合圓錐以及波導(dǎo) （a）利用快捷鍵Ctrl+A將模型全部選中。（b）在菜單欄中點擊Modeler>Boolean>Unite。（c）命名為Cone16創(chuàng)建輻射邊界 （1）設(shè)置模型的默認(rèn)

43、材料 在工具欄中設(shè)置模型的下拉菜單中點擊Select,在設(shè)置材料窗口中選擇vacuum,點擊OK完成。 （2）創(chuàng)建Air Box （a）在菜單欄中點擊Draw>Box。（b）在坐標(biāo)輸入欄中輸入長方體底面一頂點的坐標(biāo): X:30 ,Y:30,Z:0,按回車鍵結(jié)束輸入。（c）在坐標(biāo)輸入欄中輸入長方體底面對角頂點的相對坐標(biāo): dX:-60,dY:-60,dZ:0,按回車鍵結(jié)束輸入。（d）在坐標(biāo)輸入欄中輸入長方體高度: dX: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）在菜單欄中點擊Edit>Select>Faces（b）選擇圓錐喇叭

44、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，方便選取）。（c）在菜單欄中點擊HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E（d）在設(shè)置窗口中，將邊界命名為PerfE1,點擊OK結(jié)束。 （4）設(shè)置輻射邊界 （a）在菜單欄中點擊Edit>Select>By Name。 （b）在對話框中選擇Box2，點擊OK結(jié)束。 （c）在菜單欄中點擊HFSS>Boundaries>Assign>Radiation。（d）在輻射邊界窗口中，將輻射邊界命名為

45、Rad1,點擊OK結(jié)束。7 創(chuàng)建波端口（a）在菜單欄中點擊Edit>Select>Faces。（b）單擊選擇矩形波導(dǎo)底面。（c）在菜單欄中點擊HFSS>Excitations>Assign>Wave Port（d）在Wave Port窗口的General標(biāo)簽中，將該窗口命名為1。（e）其他標(biāo)簽頁設(shè)置保持默認(rèn)即可至結(jié)束。8 輻射場角度設(shè)置 （1）在菜單欄中點擊HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。 （2）在輻射遠(yuǎn)場對話框中設(shè)置。在Infinite Sphere標(biāo)簽中： Name:

46、Infinite Sphere1 Phi:(Start:0,Stop:360,Step Size:1) Theta:(Start:0,Stop:180,Step Size:1)其他設(shè)置保持默認(rèn)。 點擊OK按鈕結(jié)束。9求解設(shè)置 為該問題設(shè)置求解頻率。 （1）設(shè)置求解頻率 （a）在菜單欄中點擊HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup 。 （b）在求解設(shè)置窗口中，設(shè)置： Solution Frequency：35GHz Maximum Number of Passes：8 Maximum Delta S per Pass：0.02 （c）點擊OK結(jié)束。10保存工程（1）在Ansoft Hfss窗口，選擇菜單中的文件（File）>另存為（Save As） （2）在另存為窗口，輸入文件名：Horn（3）點擊保存（Save）按鈕 11查看求