喇叭天線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、1課題背景喇叭天線是一種應(yīng)用廣泛的微波天線，具優(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。合理地選擇喇叭天線尺寸，可以獲得很好的輻射特性、相當(dāng)尖銳的主瓣、較小副瓣和較高的增益。因此，喇叭天線應(yīng)用非常廣泛，它是一種常見(jiàn)的天線增益測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)天線。喇叭天線就其結(jié)構(gòu)來(lái)講可以看成由兩大部分構(gòu)成：一是波導(dǎo)管部分，橫截面有矩形，也有圓形；二是真正的喇叭天線部分。波導(dǎo)部分相當(dāng)于線天線中的饋線，是供給喇叭天線信號(hào)和能量的部分。對(duì)工作于厘米波或毫米波段內(nèi)的面天線，如采用線狀饋線，將因饋線自身的輻射損耗太大不能把能量傳送到面天線上，所以，必須采用自身屏蔽效果很好的波導(dǎo)管作饋線。普通喇叭天線結(jié)構(gòu)原理圖如1.1

2、所示。(C)(d)圖1.1普通喇叭天線結(jié)構(gòu)原理圖HFS階稱(chēng)為HighFrequencyStructureSimulator，是美國(guó)Ansoft公司（注:Ansoft公司于2008年被Ansys公司收購(gòu)）開(kāi)發(fā)的全波三維電磁仿真軟件，也是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁仿真軟件。該軟件采用有限元法，計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)可靠，是業(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采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows圖形用戶(hù)界面，簡(jiǎn)潔直觀；擁有精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器和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(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)；自動(dòng)化的設(shè)計(jì)流程，易學(xué)易用；穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，結(jié)果準(zhǔn)確。使用HFS

3、S用戶(hù)只需要?jiǎng)?chuàng)建或?qū)朐O(shè)計(jì)模型，指定模型材料屬性，正確分配模型的邊界條件和激勵(lì)，準(zhǔn)確定義求解設(shè)置，軟件便可以計(jì)算并輸出用戶(hù)需要的設(shè)計(jì)結(jié)果。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，可以提供全面的天線設(shè)計(jì)解決方案，是當(dāng)今天線設(shè)計(jì)最為流行的軟件。使用HFSSM以仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)各類(lèi)天線，能夠精確計(jì)算天線的各種性能，包括二維、三維遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)輻射方向圖、天線的方向性系數(shù)、S參數(shù)、增益、軸比、輸入阻抗、電壓駐波比、半功率波瓣寬度以及電流分布特性等。2設(shè)計(jì)過(guò)程HFSSt磁場(chǎng)仿真軟件是Ansoft公司開(kāi)發(fā)的應(yīng)用切向矢量有限元法來(lái)求解任意三維射頻器件的電磁場(chǎng)分布的軟件，仿真后可直接得到特征阻抗、傳播系數(shù)、S參數(shù)、

4、輻射場(chǎng)、天線方向圖、駐波比、增益等結(jié)果。HFSS能進(jìn)行全面的全參數(shù)化設(shè)計(jì)，從幾何結(jié)構(gòu)、材料特性到分析、控制及所有后期處理，具有強(qiáng)大的參數(shù)化三維建模能力和高性能的圖形能力，大大節(jié)省了工程師的設(shè)計(jì)時(shí)間。2.1HFSS天線設(shè)計(jì)流程使用HFSSt件進(jìn)行天線設(shè)計(jì)的流程如下：(1)設(shè)置求解類(lèi)型。使用HFSSS行天線設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇模式驅(qū)動(dòng)(DrivenModal)求解類(lèi)型或者終端驅(qū)動(dòng)(DrivenTerminal)求解類(lèi)型。(2)創(chuàng)建天線的結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)所要設(shè)計(jì)的天線的初始尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)，在HFSS真型窗口中創(chuàng)建出天線的HFSS數(shù)化設(shè)計(jì)模型。另外，HFSS&可以直接導(dǎo)入由AutoCAD等第三方軟件

5、創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)模型。(3)設(shè)置邊界條件。在HFSSt,與背景相接觸的表面都被默認(rèn)設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界。為了模擬無(wú)限大的自由空間，在使用HFSS!行天線設(shè)計(jì)時(shí)，必須把與背景相接觸的表面設(shè)置為輻射邊界條件或者理想匹配層(PML)邊界條件，只有這樣HFSSt能計(jì)算天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)。(4)設(shè)置激勵(lì)方式。天線必須通過(guò)傳輸線或者波導(dǎo)傳輸信號(hào)，天線與傳輸線或者波導(dǎo)的連接處即為饋電面或者稱(chēng)為激勵(lì)端口。天線設(shè)計(jì)中饋電面的激勵(lì)方式主要有兩種，分別是波端口激勵(lì)(WavePort)和集總端口激勵(lì)(LumpedPort)c通常，與背景相接觸的饋電面的激勵(lì)方式使用波端口激勵(lì)，而在模型內(nèi)部的饋電面的激勵(lì)方式使用集總端口激勵(lì)。(5

6、)設(shè)置求解參數(shù)，包括設(shè)定求解頻率和掃頻參數(shù)。其中，求解頻率通常設(shè)定為天線的中心工作頻率。(6)運(yùn)行求解分析。上述操作完成后，即創(chuàng)建好天線模型，正確設(shè)置了邊界條件、激勵(lì)方式和求解參數(shù)，即可執(zhí)行求解分析操作命令來(lái)運(yùn)行仿真計(jì)算。整個(gè)仿真計(jì)算由HFS敞件自動(dòng)完成，不需要用戶(hù)人為干預(yù)。分析完成后，如果結(jié)果不收斂，則需要重新設(shè)置求解參數(shù)；如果結(jié)果收斂，則說(shuō)明計(jì)算結(jié)果達(dá)到了設(shè)定的精度要求。(7)查看求解結(jié)果。求解分析完成后，在數(shù)據(jù)后處理部分查看HFS劭析出的天線的各項(xiàng)性能參數(shù)，如回波損耗Si、電壓駐波比VSWR輸入阻抗、天線方向圖、軸比和電流分布等。如果仿真計(jì)算的天線性能滿足設(shè)計(jì)要求，那么就完成了天線的仿真

7、設(shè)計(jì)工作，接下來(lái)可以著手天線的制作和調(diào)試工作。如果仿真計(jì)算的天線性能未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么還需要使用HFSS勺參數(shù)掃描分析功能或者優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，進(jìn)行參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。(8)Optimetrics優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果前面的分析結(jié)果未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么還需要使用Optimetrics模塊的參數(shù)掃描分析功能和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能來(lái)優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)尺寸，以找到滿足要求的天線設(shè)計(jì)。2.2設(shè)計(jì)要求和初始設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)18GHz-26.5GHzft佳增益矩形喇叭，其在22GHz寸的增益需要大于15dB,喇叭天線用WR42巨形波導(dǎo)來(lái)饋電,其尺寸為a=10.668mm,b=4.318mm,激勵(lì)信號(hào)由特性阻抗為50歐姆的同軸

8、線導(dǎo)入。先將增益比有分貝值換成無(wú)量綱值，15dB的增益轉(zhuǎn)換成無(wú)量綱值約為31.6。22GHz工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為13.64mm然后將增益和波長(zhǎng)值代入到公式2.1、公式2.2和公式2.3中。公式2.1、公式2.2和公式2.3如下。（公式2.1）433bG23G24a1-aa1a1=28二；ap32二；apRe=Rha11aa1（公式2.2）b1=1（b+Jb2+8Re（公式2.3）2.其中Gp=0.5?？梢杂?jì)算出Re=20.79mm)在本設(shè)計(jì)中，波導(dǎo)長(zhǎng)度取5/4個(gè)波長(zhǎng)。同軸線饋電點(diǎn)位于波導(dǎo)寬邊中心，饋電點(diǎn)和短路板之間的距離為1/4個(gè)波長(zhǎng)，同軸線的外導(dǎo)體與波導(dǎo)的側(cè)壁相連接，內(nèi)導(dǎo)體從波導(dǎo)寬邊中心處插

9、入到波導(dǎo)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)最大處，形成電場(chǎng)激勵(lì)方式。為了方便調(diào)節(jié)喇叭天線模型的物理尺寸，在設(shè)計(jì)中我們需要定義一系列變量來(lái)表示天線的尺寸。變量定義以及設(shè)計(jì)的喇叭天線的初始尺寸如表2.1所示結(jié)構(gòu)名稱(chēng)變量名變量值(單位mm)1/4波長(zhǎng)length3.41喇叭結(jié)構(gòu)參數(shù)波導(dǎo)寬度a10.668波導(dǎo)高度b4.318波導(dǎo)長(zhǎng)度wlength5*length喇叭口徑寬度a135喇叭口徑高度b125喇叭長(zhǎng)度plength20.79同軸線結(jié)構(gòu)參數(shù)外導(dǎo)體半徑0.06in內(nèi)導(dǎo)體半徑0.025in外導(dǎo)體長(zhǎng)度0.3in內(nèi)導(dǎo)體長(zhǎng)度0.3in+b/2表2.1變量定義以及設(shè)計(jì)的喇叭天線的初始尺寸2.3 HFSS天線設(shè)計(jì)(1)新建設(shè)計(jì)工程(2

10、)添加和定義設(shè)計(jì)變量從主菜單欄中選擇【HFSStDesignProperties命令，打開(kāi)設(shè)計(jì)屬性對(duì)話框。添加各個(gè)變量，最后單擊設(shè)計(jì)屬性對(duì)話框中的確定按鈕，完成所有變量的定義和添加工作。定義完所有設(shè)計(jì)變量后的設(shè)計(jì)屬性對(duì)話框如圖2.2所示。圖2.2定義完所有設(shè)計(jì)變量后的設(shè)計(jì)屬性對(duì)話框(3)設(shè)計(jì)模型創(chuàng)建喇叭模型，分別在2=0和Z=Plength的平面上創(chuàng)建大小為a*b,和a1*bl的平面，平面的中心都位于Z軸上。然后選中這兩個(gè)平面，執(zhí)行【ModelertSurfacetConnect命令，生成喇叭模型。生成的喇叭模型如圖2.3所示。圖2.3生成的喇叭模型第二步：創(chuàng)建WR4皴導(dǎo)模型，創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體模

11、型用以表示W(wǎng)R4被導(dǎo)，該模型與喇叭的底部相接，其長(zhǎng)、寬、高分別用前面定義的變量a,b和wlength表示，并將其命名為WR42創(chuàng)建的矩形喇叭波導(dǎo)雛形如圖2.4所示。圖2.4創(chuàng)建的矩形喇叭波導(dǎo)雛形第三步：創(chuàng)建同軸饋線，同軸線饋電點(diǎn)放置于波導(dǎo)寬邊中心線上，其與底側(cè)短路板的距離為1/4個(gè)波長(zhǎng)，同軸線的外導(dǎo)體與波導(dǎo)的外側(cè)壁相接觸。同軸線的外導(dǎo)體圓半徑為0.06英寸，外導(dǎo)體長(zhǎng)度為0.3英寸；同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑為0.025英寸,內(nèi)導(dǎo)體在波導(dǎo)內(nèi)長(zhǎng)度為波導(dǎo)窄邊長(zhǎng)度的一半，即b/20本設(shè)計(jì)創(chuàng)建兩個(gè)圓柱體模型，用來(lái)表示同軸線的外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體。最終成生的喇叭天線和同軸饋電線如圖2.5所示。圖2.5最終成生的喇叭天線和

12、同軸饋電線第四步：把喇叭天線的外表面設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界條件，因?yàn)槔忍炀€的各個(gè)壁都是金屬材質(zhì)，所以本設(shè)計(jì)需要把喇叭天線模型外側(cè)表面都設(shè)置成理想導(dǎo)體邊界條件(PerfectE)。其中喇叭的口徑面、同軸線端口面和同軸線內(nèi)表面都不需要設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界條件。第五步：設(shè)置端口激勵(lì)，把同軸線的端口面設(shè)置為負(fù)載阻抗為50歐姆的集總端口激勵(lì)。第六步：設(shè)置輻射邊界條件,使用HFS朋析天線問(wèn)題時(shí),需要設(shè)置輻射邊界條件,且輻射邊界表面距離輻射體需要不小于1/4個(gè)工作波長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體模型，該模型的所有表面都設(shè)置為輻射邊界條件。(4)求解設(shè)置天線的中心工作頻率為22GHz所以求解頻率設(shè)置在22GHz

13、4;點(diǎn)。WR42巨形波導(dǎo)的工作頻段為18GHz-26.5GHz,那么本設(shè)計(jì)的掃頻范圍設(shè)置為18GHz-26.5GHz掃頻類(lèi)型設(shè)置為快速掃頻。2.4 設(shè)計(jì)結(jié)果在仿真完成后，利用HFSS勺數(shù)據(jù)后處理功能分別查看喇叭天線的以下分析結(jié)果：在工作頻率為22GHz時(shí)，E面和H面上的增益方向圖以及三維增益方向圖，回波損耗S11的掃頻分析結(jié)果。(1)查看E面和H面上的增益方向圖天線增益即用來(lái)衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，是在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。E面和H面上的

14、增益方向圖如圖2,6所示。從分析結(jié)果中可以看出，天線的最大增益約為15.85dB,與本設(shè)計(jì)要求較為吻合。圖2.6E面和H面上的增益方向圖(2)查看極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖方向圖是表征天線輻射特性(場(chǎng)強(qiáng)、振幅、相位、極化)與空間角度關(guān)系的圖形。從方向圖可以得到波瓣寬度，指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度。天線的方向性主要由主瓣寬度確定。主瓣寬度愈小，說(shuō)明天線輻射能量越集中，即接受能力愈強(qiáng)，定向作用和方向性也越強(qiáng)。而方向圖中副瓣電平越低，表明天線在不需要方向上輻射的能量越弱，即在這些方向?qū)﹄s散波的抑制能力更強(qiáng)，抗干擾性能更優(yōu)越。極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖如圖2.7所示。R

15、adiationPattern1圖2.7極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖(3)查看三維增益方向圖三維增益方向圖如圖2.8所示。圖2.8三維增益方向圖(4)查看回波損耗S11掃頻結(jié)果仿真結(jié)束后查看天線信號(hào)端口回波損耗(即Si)的掃頻分析結(jié)果如圖2.9所Nuit笈IY.1卜WLZZEF加上加色期©小QQ一2?如Fr®|GHdHF5SD脂©nl士-1500-帕的圖2.9同波損耗S11掃頻結(jié)果2.5優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)al、bl和plength參數(shù)進(jìn)行參數(shù)掃描，得到的最符合本設(shè)計(jì)要求的參數(shù)為a1=35.4mmb1=28.6mmplength=25.4mm。此時(shí)回波損耗（即Si）的掃

16、頻分析-5O7O-a.10.=3力5再-12.50XYPlot15結(jié)果如圖2.10所示。此時(shí)的分析結(jié)果更接近本設(shè)計(jì)的要求圖2.10回波損耗S11掃頻結(jié)果不同的參數(shù)對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖如圖2.11所示RadiationPattern4o90-180圖2.11極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖最符合本設(shè)計(jì)要求的極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖如圖2.12所示RadiationPattern4圖2.12極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖3心得體會(huì)由于本科階段，沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)HFS欹件，所以在做這個(gè)課程設(shè)計(jì)的時(shí)候我首先到圖書(shū)館借了幾本相關(guān)HFSSS計(jì)天線的參考書(shū)。首先照著上面的例題設(shè)計(jì)喇叭天線，剛開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候問(wèn)題不斷地出現(xiàn)，最后經(jīng)過(guò)不斷地摸索終于完成了符合技術(shù)指標(biāo)的喇叭天線。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，出現(xiàn)了一個(gè)大問(wèn)題，就是設(shè)置輻射邊界條件。輻射邊界表面要距離輻射體不小于1/4個(gè)工作波長(zhǎng)，由于沒(méi)注意到這個(gè)問(wèn)題，創(chuàng)建