浙江大學(xué)電磁場(chǎng)與電磁波試驗(yàn)第二次

1、沏戶/步本科實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn) 姓 名： wzh 學(xué) 院： 信息與電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 信息工程 學(xué) 號(hào)： xxxxxxxx 指導(dǎo)教師： 王子立 選課時(shí)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 i

2、nstead of struggling on useless homework. All the content you can use as you like. I wish you will have a meaningful journey on your college life.沏產(chǎn)a票實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師： 王子立 成績(jī)：實(shí)驗(yàn)名稱：CST仿真、喇叭天線輻射特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)類型：仿真和測(cè)量同組學(xué)生姓名：矩形波導(dǎo)饋電角錐喇叭天線CST仿真一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵? 了解矩形波導(dǎo)饋電角錐喇叭天線理論分析與增益理論值基本原理。.熟悉CST軟件的基本使用方法。.利用CST軟件

3、進(jìn)行矩形波導(dǎo)饋電角錐喇叭天線設(shè)計(jì)和仿真。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理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(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。合理的選擇喇叭尺寸，可以取得良好的輻射特性：相當(dāng)尖銳的主瓣， 較小副瓣和較高的增益。因此喇叭天線在軍事和民用上應(yīng)用都非常廣泛，是一種常見的 測(cè)試用天線。喇叭天線的基本形式是把矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)的開口面逐漸擴(kuò)展而形成的， 由于是波導(dǎo)開口面的逐漸擴(kuò)大，改善了波導(dǎo)與自由空間的匹配，使得波導(dǎo)中的反射系數(shù) 小，即波導(dǎo)中傳輸?shù)慕^大部分能量由喇叭輻射出去，反射的能量很小。喇叭天線的分類矩形波導(dǎo)饋電的喇叭天線 根據(jù)喇叭擴(kuò)展的形式不同分為：E面扇形喇叭，由

4、擴(kuò)展 其窄邊形成；H面扇形喇叭，由擴(kuò)展其寬邊形成；角錐喇叭，由寬邊、窄邊同時(shí)擴(kuò)展 形成。三種類型的矩形波導(dǎo)饋電的喇叭天線示意圖如圖2 (a) - (c)所示。圓波導(dǎo)饋電的喇叭天線圓波導(dǎo)饋電的喇叭一般是圓錐喇叭，如圖 3 所示圖3圓波導(dǎo)饋電圓錐喇叭天線結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)驗(yàn)中采用的是矩形波導(dǎo)饋電的角錐喇叭天線。矩形波導(dǎo)饋電角錐喇叭天線理論分析尺寸確定角錐喇叭天線是對(duì)饋電的矩形波導(dǎo)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(dǎo)的尺寸為axb,喇叭口徑尺寸為DHXDE,喇叭高度為L(zhǎng),其H 面(xz面)內(nèi)虛頂點(diǎn)到口徑中點(diǎn)的距離為R1, E面(yz面)內(nèi)虛頂點(diǎn)到口徑中心的距 離為R2。(a)

5、幾何圖形圖3角錐喇叭天線的結(jié)構(gòu)示意圖(b) H面截圖(c) E而截圖根據(jù)實(shí)際矩形波導(dǎo)饋電角錐喇叭天線，該天線工作在 X 波段，工作頻段為12.4GHz。根據(jù)工作的頻段，選擇X波段的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)作為饋電波導(dǎo)a=22.86mm , b=10.16mm。同時(shí)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。矩形波導(dǎo)饋電的角錐喇叭天線的增益理論值對(duì)于矩形波導(dǎo)的尺寸為*上喇叭口徑尺寸為0口*0,喇叭高度為L(zhǎng)的角錐喇叭 天線。可以用下公式來(lái)估算該天線的增益。G = 10.8 + 10lg(D“ xDe/A2)-NGh -AGE(dB) Gg， GE，可以由表1

6、得，其中參數(shù)a , B，可由公式2-9求得。表1 G，AGe數(shù)值表Gh迅0.10000.00110.00241.60000.29190.61570.20000.00460.00951.70000.32920.69600.30000.01030.02141.80000.36880.78130.40000.01840.03811.90000.41050.87180.50000.02870.05962.00000.45440.96750.60000.04130.08582.10000.50031.06830.70000.05620.11692.20000.54851.17440.80000.0733

7、0.15282.30000.59871.28580.90000.09280.19352.40000.65101.40251.00000.11450.23912.50000.70541.52471.10000.13840.28952.60000.76181.65221.20000.16460.34482.70000.82031.78531.30000.19310.40512.80000.88071.92401.40000.22380.47032.90000.94312.06821.50000.25680.54053.00001.00742.2180根據(jù)公式1-9以及表格1，可以估算出本實(shí)驗(yàn)中用到

8、的矩形波導(dǎo)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)備裝有CST軟件的電腦四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟a. CST 初始設(shè)置打開 CST 軟件，選擇 New Project-MICROWAVES&RF-AntennasWaveguide(Horn,Cone,etc.)-TimeDomain-Dimensions:mm;Frequency:GHz；b. 建立模型 參數(shù)設(shè)置Pa.ram.etef4VahieDE104型DH138.46F10.3L200Lambda29.1al22.S6bl10.16t2.54參數(shù)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)窗口的下方。 創(chuàng)建矩形點(diǎn)擊Modeling-Shape-Br

9、ick,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(gè)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(gè)PEC層變成一個(gè)物體。掏空：選擇面：分別選取物體前后兩個(gè)面掏空生成喇叭：Modeling-Shape tools-Shell

10、 Solid or Thicken Sheet；完成整個(gè)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-Background （設(shè)置為 Normal）；Simulation-Boundaries（設(shè)置為 open （add space）；端口設(shè)置選取波導(dǎo)口面：Modeling-Picks-Pick Face；設(shè)置波導(dǎo)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-Farf

11、ield（RCS）（中心頻率：10.3GHz）。模式分析a. 模式分析設(shè)置Simulation-Start Simulation-Source type: All Ports Modes: All Simulation-Setup Solverb 模式仿真分析Simulation-Solver-Logfile-Solve Logfile；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S1和駐波曲線c.Farfie

12、ld方向圖：Farfield-AbsFarfeild Plot-DirectivityFarfeild Plot-Polar(Cut angle：90(phi)； Step 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(chǎng)分布：選擇左側(cè)菜單 2D/3D Results-Port Modes-Port1-e1

13、五、實(shí)驗(yàn)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Frequency / GHzS-Parameters Magnitude in dB10.551(1)4(1)3. VSWR曲線1.18Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)Frequency / GHz10.511.5VSWRl(l)1.081.064.方向圖:Farfield-AbsFarfield Directivity Abs (Phi=90)30Phi=270Phi= 9030Theta / Degree vs.

14、dBifarfield (f= 10.3) 1(1)Frequency = 10.3Main lobe magnitude =20.9 dBiMain lobe direction = 0.0 deg.Angular width (3 dB) = 14.1 deg.Side lobe level = -10.7 dB150一一I1801505.增益圖:Farfield-AbsTypeFarfieldApproximationenabled (kR 1)Monitorfarfield (f=10.3) 1(1)ComponentAbsOutputGainFrequency10.3Rad. eff

15、ic.-0.06266 dBTot. effic.-0.07544 dBGain20.82 dB3DSchematicFari eldsari eld ( =10. 3) 1 (1) ABs I Parameter Vi ew6E-field,H-field表面電流仿真圖端口基模電場(chǎng)圖六、分析、討論、心得本次實(shí)驗(yàn)我們接觸了 CST仿真，見識(shí)到了 CST在電磁場(chǎng)仿真的直觀性。從結(jié)果上來(lái)看， 主瓣方向?yàn)?0，e =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(cè)量、實(shí)驗(yàn)?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

16、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(xué)會(huì)操作使用喇叭天線，并能進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量。4、能夠使用matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，與理論值進(jìn)行匹配，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。二、實(shí)驗(yàn)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(chǎng)矢量的方向，所以接收機(jī)接收到的信號(hào)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(shí)， 接收信號(hào)最大，若兩者正交，接收機(jī)將接收不到信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)用3公分波段（8-126出）喇叭天線揭示天線方向性

17、、波束寬度、波的極化 特性。裝置包括三部分：分別是信號(hào)發(fā)射端、接收端和天線移動(dòng)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(gè)旋轉(zhuǎn)云臺(tái)上。發(fā)射端喇叭天線可以 繞矩形波導(dǎo)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(lái)調(diào)節(jié)。云臺(tái)可在垂直面和水平面上轉(zhuǎn)動(dòng)，用 于測(cè)量發(fā)射天線的方向性特性；發(fā)射端還裝有一個(gè)可移動(dòng)的金屬柵網(wǎng)；天線移動(dòng)架可以 使發(fā)射端沿著移動(dòng)架軌道平移，從而改變收、發(fā)喇叭天線之間的距離，其測(cè)量值可以從 移動(dòng)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(dòng)。用到的方程為：A與胃/ 8 93 5

18、 次現(xiàn) 京市 H E其中R為收、發(fā)天線間距離。（本實(shí)驗(yàn)R取收發(fā)天線喇叭口之間的距離）。G = 0.51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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理相對(duì)歸一化公式：卬(攻)=io1 W/dBB)1. 根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)作出電磁波傳播與距離的關(guān)系曲線距離R(m)1-4311.1-450.7943282351.2-45.30.7673614891.3-46.70.6531305531.4-47.50.595662144實(shí)驗(yàn)測(cè)量值(dB)相對(duì)歸一化功率2、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？“ PGG九21

19、l ，F(xiàn)it i /c r【.上士 人f = l 1r看上去和1/R2比較符合。和理論值r(4兀R)2 ，曲線應(yīng)當(dāng)與1/R2接近，實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與理論結(jié)果有一定差距。誤差分析：實(shí)驗(yàn)與理論符合較好，但還是與標(biāo)準(zhǔn)曲線還有一定的差距，據(jù)分析和當(dāng)時(shí)測(cè)量時(shí) 大氣環(huán)境，周圍人的走動(dòng)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(biāo)為天線極化角度e。發(fā)射喇叭天線角度q實(shí)驗(yàn)測(cè)量值(dB)相對(duì)歸一化功率0-43110 -43.30.9720 -43.80.9130 -44.60.8340 -45.80.7250 -47.80.5860 -51.30.3870 -56.30.2280 -64.20.0990 -7

20、7.80.02喇叭天線極化曲線0102030405060708090極化角度0/degree4、(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e的關(guān)系是符合cos)還是cos2(0)關(guān)系？喇叭天線極化曲線0102030405060708090極化角度0/degree結(jié)果介于cos（0）和cos2（。）之間，更接近于cos（0）。我們和其他同學(xué)做的數(shù)據(jù)進(jìn)行交流以后，都發(fā)現(xiàn)了這個(gè)（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(duì)于發(fā)射喇叭天線的極化角度為 45，極化器對(duì)系統(tǒng)的影響如何？I = I cos（45。）sin（45 ） = Iin

21、 out2 out接受波為入射波的1/2;5、對(duì)發(fā)射天線計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)距離（工作頻率9.375GHz），實(shí)驗(yàn)中是否符合遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)條件？%二c/f=3.2Rm，R=?m2D D符合遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)條件6、分別計(jì)算收、發(fā)天線理論增益，半功率波束寬度（假定1仁k）。有什么結(jié)論?發(fā)射喇叭天線4兀AG = 0.51= 18.99九2H 面：20 氏 1.18 工; 0.46 rad 0.5DHE 面：20 工 0.89L = 0.77 rad 0.5DE接收喇叭天線4兀AG = 0.51 = 92.66九2H 面：20 氏 1.181=0.27 rad 0.5DHE 面：20 氏 0.89L = 0.27 rad 0.5DE口徑越大，增益越大，半功率波束寬度越小。7、用極坐標(biāo)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(shí)際測(cè)量值（dB）相對(duì)歸一化功率-90-80-80-80-70-80-60-840.01-50-