項目七用HFSS仿真波導縫隙天線課件

項目七用HFSS仿真波導縫隙天線7.1縫隙天線7.2微帶天線項目七用HFSS仿真波導縫隙天線7.1縫隙天線 7.1縫隙天線

7.1.1理想縫隙天線

常見縫隙天線就是在波導壁上開有縫隙，以用來輻射或接收電磁波的天線。在研究實際的縫隙天線之前，先討論在無限大和無限薄的理想導電平板上的縫隙——理想縫隙天線。理想縫隙天線的橫向尺寸遠小于波長，縱向尺寸通常為λ/2。 7.1縫隙天線

7.1.1理想縫隙天線

常設yOz為無限大和無限薄的理想導電平板，在此面上沿z軸開一個長為2l、寬為W（W<<λ）的縫隙。根據(jù)電磁場在金屬表面的分布特點，只可能存在平行于金屬表面的磁場和垂直于金屬表面的電場。所以縫隙中的場可近似地認為是由金屬表面的磁場感應出來的，是垂直于縫隙的長邊的電場，如果不忽略短邊處的邊界條件限制，其分布可挖為如圖7－1(a)所示。這個電場可以向外輻射電磁波，具有天線的功能，所以叫縫隙天線。設yOz為無限大和無限薄的理想導電平板，在此面上沿z軸開根據(jù)項目三對線天線的分析得知，電基本振子可以產(chǎn)生變化的磁場，進而產(chǎn)生電磁波。因此理想縫隙中的電場可以認為是某個磁對稱振子（類比于電流，相當于磁流）產(chǎn)生的，這樣一來，對縫隙天線的分析，可轉(zhuǎn)化為對磁對稱振子的分析。如圖7－1(b)所示。

仔細研究自由空間里的麥克斯韋方程組，可將其分成以下兩組(7－1)(7－2)根據(jù)項目三對線天線的分析得知，電基本振子可以產(chǎn)生變化的磁圖7－1圖7－1我們發(fā)現(xiàn)上述四個方程具有對偶性，即將E和H互換，ε和－μ互換，方程的表達形式不變。所以求解磁對稱振子產(chǎn)生的電磁場，其結(jié)果和電對稱振子的結(jié)果類似，只是將原來的電場變?yōu)榇艌觯瓉淼拇艌鲎優(yōu)殡妶?，當然還有些符號的變動。具體可參閱參考書目。

根據(jù)前面的介紹，長度為2l的對稱振子的輻射場為(7－3)其方向性函數(shù)為(7－4)我們發(fā)現(xiàn)上述四個方程具有對偶性，即將E和H互換，ε和－μ由于理想縫隙天線與板狀對稱振子具有對偶性。因此，根據(jù)對偶原理，理想縫隙天線的方向性函數(shù)與同長度的對稱振子的方向性函數(shù)在E面和H面是相互交換的，如圖7－2所示。圖7－2由于理想縫隙天線與板狀對稱振子具有對偶性。因此，根據(jù)對偶由于利用了對偶關系，此式假設了縫上電壓（或切向電場）沿縫隙軸線也是按正弦分布的。對比理想縫隙與對稱振子的場可以看出：

（1）二者的方向相同，方向性函數(shù)都是(7－5)與對稱振子一樣，常用的縫隙天線是半波縫隙，即l=λ/4，將其代入式(7－5)得(7－6)在包含縫隙軸線的平面內(nèi)，方向圖是“8”字形；在垂直于縫隙軸線的平面內(nèi)，方向圖是圓形。由于利用了對偶關系，此式假設了縫上電壓（或切向電場）沿縫（2）二者的主平面互換了位置，包含縫隙軸線的平面是H面，而垂直于縫隙軸線的平面是E面。因此，垂直縫隙（縫隙軸線在垂直方向）是水平極化的，水平縫隙是垂直極化的。（2）二者的主平面互換了位置，包含縫隙軸線的平面是H面，7.1.2波導縫隙天線

在波導壁的適當位置和方向上開的縫隙也可以有效地輻射和接收無線電波，這種開在波導上的縫隙稱為波導縫隙天線。

常見的波導縫隙天線是由開在矩形波導壁上的縫隙構(gòu)成的。波導縫隙要成為有效的天線必須選擇適當?shù)奈恢煤头较?。波導上的縫隙是不需要另外的饋線的，它輻射的能量來自波導內(nèi)的電磁波。設矩形波導傳輸TE10波，其內(nèi)壁的電流如圖7－3所示。7.1.2波導縫隙天線

在波導壁的適當位置和方向上開的如果波導壁上所開縫隙能切割波導內(nèi)壁的表面電流線，則波導內(nèi)壁電流的一部分將以位移電流的形式通過縫隙，因而縫隙被激勵，并將波導內(nèi)的功率通過縫隙向空間輻射電磁波，如圖7－3中的縫1，這種縫隙稱為輻射縫隙。當縫隙軸向方向與電流線平行時，不能在縫隙區(qū)建立切向電場，因此縫隙未被激勵，不能向外輻射功率，這種縫隙稱為非輻射縫隙，如圖7－3中的縫2。如果波導壁上所開縫隙能切割波導內(nèi)壁的表面電流線，則波導內(nèi)圖7－3圖7－3實驗證明，沿波導縫隙的電場分布與理想縫隙的幾乎一樣，近似為正弦分布，但由于波導縫隙是開在有限大的波導壁上的，輻射受沒有開縫的其他三面波導壁的影響，因此是單向輻射。

單縫隙天線的方向性是比較弱的，為了提高天線的方向性，可在波導的一個壁上開多個縫隙組成天線陣。這種天線陣的饋電比較方便，其天線和饋線集于一體。適當改變縫隙的位置和取向就可以改變縫隙的激勵強度，以獲得所需要的方向性。其缺點是頻帶比較窄。實驗證明，沿波導縫隙的電場分布與理想縫隙的幾乎一樣，近似為了增加縫隙天線的方向性，可在波導的同一壁上按一定規(guī)律開多條尺寸相同的縫隙，構(gòu)成波導縫隙天線陣。根據(jù)波導內(nèi)傳輸波的形式又可將縫隙陣天線分為諧振式縫隙天線陣和非諧振式縫隙天線陣。諧振式縫隙天線陣波導終端通常接短路活塞，波導內(nèi)傳輸波的形式是駐波；非諧振式縫隙天線陣波導終端通常接匹配負載，波導內(nèi)傳輸波的形式是行波。

縫隙天線陣元的形式是多種多樣的，這是由于波導場分布的特點，使單個縫隙天線（陣元）的位置比較靈活，甚至只要附加適當?shù)募钤ㄈ绮迦氩▽?nèi)部的螺釘式金屬桿），就可使在不能輻射電磁波位置上的縫隙也變成輻射元。為了增加縫隙天線的方向性，可在波導的同一壁上按一定規(guī)律開7.1.3用HFSS仿真計算波導縫隙天線

任務要求：仿真波導縫隙天線的特性參數(shù)。

測試設備：計算機、HFSS軟件。

設計步驟

1.初始步驟

(1)打開軟件AnsoftHFSS。

點擊Start按鈕，選擇Program，然后選擇Ansoft/HFSS11，點擊HFSS11。7.1.3用HFSS仿真計算波導縫隙天線

任務要求：仿（2）新建一個項目。

在窗口中，點擊新建按鈕，或者選擇菜單項File/New。

在Project菜單中，選擇InsertHFSSDesign。

（3）設置求解類型。

點擊菜單項HFSS/SolutionType，在跳出窗口中選擇DrivenModal，再點擊OK按鈕，如圖7－4所示。

（4）為建立模型設置適合的單位，如圖7－5所示。（2）新建一個項目。

在窗口中，點擊新建按鈕，或者選圖7－4圖7－4圖7－5圖7－5

2.創(chuàng)建3D模型

(1)繪制波導。

選擇菜單項Draw/box，繪制一個長方體；設置長方體基坐標，X：－11.43，Y：0.0，Z：0.0，按下確認鍵；再輸入dX：22.86，dY：29.8125，dZ：10.16，按下確認鍵。定義長方體的屬性：Name為waveguide，Transport項為0.8，如圖7－6所示。2.創(chuàng)建3D模型

(1)繪制波導。

選擇菜單項D圖7－6圖7－6（2）繪制縫隙。

如圖7－7所示，由主菜單選擇Modeler/CoordinateSystem/Create/RelativeCS/Offset，設置相對坐標系，以便于繪制縫隙。圖7－7（2）繪制縫隙。

如圖7－7所示，由主菜單選擇Mod在坐標輸入欄中輸入坐標：X：0.0，Y：9.9375，Z：10.16。

選擇菜單項Draw/box，繪制一個長方體：設置長方體基坐標，X：－0.5，Y：-7.0，Z：0.0，按下確認鍵；再輸入dX：1.0，dY：14.0，dZ：1.0，按下確認鍵。再定義長方體的Name為slot。

選擇菜單項Draw/cylinder，繪制一個圓柱體cylinder1：

在坐標輸入欄輸入圓柱體中心點坐標，X：0.0，Y：-7.0，Z：0.0，按下確認鍵；

再輸入dX：0.5，dY：0.0，dZ：0.0，按下確認鍵；在坐標輸入欄中輸入坐標：X：0.0，Y：9.9375，Z再輸入dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0，按下確認鍵。

同理，再繪制一個圓柱體cylinder2，尺寸坐標依次輸入為：

X：0.0，Y：7.0，Z：0.0；

dX：0.5，dY：0.0，dZ：0.0；

dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0。

在操作歷史樹中利用Ctrl鍵選擇slot、cylinder1、cylinder2，在菜單欄中點擊Modeler/Boolean/Unite，結(jié)果如圖7－8所示。再輸入dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0，按下確認圖7－8圖7－8圖7－9圖7－9圖7－10圖7－10

(3)繪制空氣盒。

軟件在計算輻射特性時，是在模擬實際的自由空間的情形。類似于將天線放入一個矩形微波暗室。一個在暗室中的天線輻射出去的能量理論上不應該反射回來。在模型中的空氣盒子就相當于暗室，它吸收天線輻射出的能量，同時可以提供計算遠場的數(shù)據(jù)?？諝夂凶拥脑O置一般來說有兩個關鍵：一是形狀，二是大小。形狀就像微波暗室一樣，要求反射盡可能得低，那么就要求空氣盒子的表面應該與模型表面平行，這樣能保證從天線發(fā)出的波盡可能垂直入射到空氣盒子內(nèi)表面，確切地說，是要使大部分波輻射到空氣盒子的內(nèi)表面入射角要小，盡可能少地防止反射的發(fā)生?？諝夂凶哟笮。碚撋蟻碚f，空氣盒子越大越接近理想自由空間；極限來說，如果盒子無限大，那么模型就處在一個理想自由空間中。但是硬件條件不允許盒子太大，越大計算量越大。一般要求空氣盒子離開最近的輻射面距離不小于1/4波長。所要設計的天線中心頻率為10GHz，對應波長為0.03m，故所設置空氣盒的尺寸坐標如圖7－11所示。(3)繪制空氣盒。

軟件在計算輻射特性時，是在模擬實圖7－11圖7－11圖7－12圖7－12

3.設置邊界條件和激勵源

(1)將air設置成輻射邊界條件。

在操作歷史樹中選中air，單擊鼠標右鍵，進入AssignBoundary選項，點擊Raditation選項。此時HFSS系統(tǒng)提示為此邊界命名，取名為air，如圖7－13所示。3.設置邊界條件和激勵源

(1)將air設置成輻射邊圖7－13圖7－13圖7－14圖7－14

(2)將縫隙開口處設置為理想磁壁。

通過selectbyname選中縫隙slot的上表面，進入AssignBoundary選項，點擊PerfectH。將沒有設置的面默認為理想導體面。

(3)給波導一端開口處設置波端口，另一端不設置默認為理想導體面（即短路面）。設置積分線時，輸入坐標如下：

X：0.0，Y：29.8125，Z：0.0

dX：0，dY：0.0，dZ：10.16

設置好后如圖7－15所示。(2)將縫隙開口處設置為理想磁壁。

通過select圖7－15圖7－15圖7－16圖7－16

4.設置求解條件

在Project工作區(qū)選中Analysis項，點擊鼠標右鍵，選擇AddSolutionSetup。

這時系統(tǒng)會彈出求解設置對話框，我們把參數(shù)設為：點頻為10GHz，最大迭代次數(shù)為15，最大誤差為0.02，如圖7－17所示。4.設置求解條件

在Project工作區(qū)選中Anal圖7－17圖7－17將求解的條件設好后，我們來看看HFSS的前期工作是否完成，在HFSS菜單下，點擊ValidationCheck（或直接點擊圖標）。

再次選中Project工作區(qū)的Analysis；點擊鼠標右鍵，選中Analyze即可開始求解。將求解的條件設好后，我們來看看HFSS的前期工作是否完成

5.優(yōu)化求解

(1)首先我們定義幾個優(yōu)化變量及其范圍。

在菜單欄中點擊Project/ProjectVariables，在ProjectVariables標簽中選擇Value，點擊Add添加工程變量$L，將其值設為13.5mm；繼續(xù)添加工程變量$offset，將其值設為2mm。

（2）在操作歷史樹中將原有尺寸設置成已定義的工程變量值。

在操作歷史樹中展開slot，雙擊CreateBox，在彈出的對話窗口中將原尺寸改為如圖7－18所示。5.優(yōu)化求解

(1)首先我們定義幾個優(yōu)化變量及其范圍圖7－18圖7－18展開slot中的Unite，雙擊cylinder1的CreateCylinder，在彈出來的對話窗口中將CenterPosition原尺寸X：0.0，Y：-7.0，Z：0.0改為：X：0.0，Y：-$L/2，Z：0.0。

同樣地，展開slot中的Unite，雙擊cylinder2的CreateCylinder，在彈出來的對話窗口中將CenterPosition原尺寸X：0.0，Y：7.0，Z：0.0改為：X：0.0，Y：$L/2，Z：0.0。

再在操作歷史樹中雙擊slot下的Move，將MoveVector坐標修改為：$offset，0mm，0mm。展開slot中的Unite，雙擊cylinder1的Cr（3）設置優(yōu)化函數(shù)。

①在菜單欄中點擊Project/ProjectVariables，在ProjectVariables標簽中選擇Optimization，選中待優(yōu)化變量$L，將優(yōu)化變量的范圍分別設置為［13mm，15mm］，如圖7－19所示。（3）設置優(yōu)化函數(shù)。

①在菜單欄中點擊Project圖7－19圖7－19②在菜單欄中點擊HFSS/Results/OutputVariables，添加輸出變量cost。首先點擊Function，插入abs。點擊Report下拉菜單，選擇ModelSolutionData，Solution中選擇Setup1：LastAdaptive，然后進行如圖7－20的設置。②在菜單欄中點擊HFSS/Results/OutputV圖7－20圖7－20③選擇Project工作區(qū)的Optimetrics，點擊鼠標右鍵，選擇Add項進而選擇Optimization項，如圖7－21所示。圖7－21③選擇Project工作區(qū)的Optimetrics，點擊此時HFSS系統(tǒng)會彈出Optimization設置對話框，點擊SetupCalculation按鈕，跳出如圖7－22所示的對話框。圖7－22此時HFSS系統(tǒng)會彈出Optimization設置對話框如圖7－23所示，在跳出的對話框點擊OutputVariables，選中cost添加為CalculationExpression，再設置優(yōu)化目標、Weight（權(quán)值）、Acceptable(可接受誤差)等，讓軟件通過仿真自動找到接近設計目標的最佳尺寸。設置好后如圖7－24所示。

④設置完后，在Project工作區(qū)選擇OptimizationSetup1，點擊鼠標右鍵選擇Analyze求解。

(4)優(yōu)化結(jié)果。

經(jīng)過優(yōu)化，結(jié)果為：在$offset=2mm時，諧振長度$L=13.69mm。如圖7－23所示，在跳出的對話框點擊OutputVari圖7－23圖7－23圖7－24圖7－24

6.波導縫隙天線的HFSS仿真結(jié)果

（1）經(jīng)過優(yōu)化后選擇offset=2mm，諧振長度$L=13.69mm，選擇菜單項HFSS/Radiation/InsertFarField/Setup/InfiniteSphere，在跳出窗口中，為了看天線的3D增益方向圖，選擇InfiniteSphere標簽，設置如下：

Phi：（Start：0，Stop：360，StepSize：2）

Theta：（Start：0，Stop：180，StepSize：2）

設置如圖7－25所示。6.波導縫隙天線的HFSS仿真結(jié)果

（1）經(jīng)過優(yōu)化后

(2)選擇菜單項HFSS/Results/CreateFarFieldReport/3DPolarPlot，在跳出窗口中設置：

Solution：Setup1LastAadptive

Geometry：InfiniteSphere1

點擊確定鍵后，該天線3D增益方向圖如圖7－26所示。(2)選擇菜單項HFSS/Results/CreateF圖7－25圖7－25圖7－26圖7－26

(3)選擇菜單項HFSS/Radiation/InsertFarField/Setup/InfiniteSphere,在跳出窗口中，為了看天線的2D增益方向圖，選擇InfinteSphere標簽，設置如圖7－27所示。

(4)選擇菜單項HFSS/Results/CreateFarFieldsReport/RadiationPattern，在跳出窗口中設置Solution：Setup1LastAadptive；Geometry：InfiniteSphere2，如圖7－28所示。

在Families標簽中將Phi設為0deg得到E面增益方向圖。

同樣地，在Families標簽中將Phi設為0deg得到H面增益方向圖，最后該天線2D增益方向圖如圖7－29所示。(3)選擇菜單項HFSS/Radiation/Inser圖7－27圖7－27圖7－28圖7－28圖7－29圖7－29 7.2微帶天線

7.2.1微帶天線的結(jié)構(gòu)

微帶天線是一種新型天線，其理論分析日趨成熟，應用范圍也日趨廣泛。各種形狀的微帶天線已在移動通信、衛(wèi)星通信、導彈雷達及遙測技術(shù)等領域得到廣泛應用。近年來微帶天線越來越受到人們的重視，因為它具有很多其他天線所沒有的特點：可方便地實現(xiàn)線極化或圓極化以及雙頻率工作；體積小，重量輕，價格低，尤其具有很小的剖面高度，易于附著于任何金屬物體表面，最適用于某些高速運行的物體，如飛機，火箭，導彈等；容易和有源器件、微波電路集成為統(tǒng)一的組件，因而適合大規(guī)模生產(chǎn)。在現(xiàn)代通信中，微帶天線廣泛地應用于100MHz～50GHz的頻率范圍。

7.2微帶天線

7.2.1微帶天線的結(jié)構(gòu)

微帶微帶天線是由一塊厚度遠小于波長的介質(zhì)板（稱為介質(zhì)基片）和覆蓋在它的兩面上的金屬片構(gòu)成的，其中完全覆蓋介質(zhì)板的一面稱為接地板，而尺寸可以和波長相比擬的另一面稱為輻射元。

微帶天線的饋電方式分為兩種。

一種是用微帶傳輸線饋電的，又稱側(cè)面饋電，就是饋電網(wǎng)絡與輻射元刻制在同一表面，如圖7－30所示，其中左圖為截面圖，右圖為俯視圖。微帶天線是由一塊厚度遠小于波長的介質(zhì)板（稱為介質(zhì)基片）和圖7－30圖7－30另一種是用同軸線饋電的，主要是以同軸線的外導體直接與接地板相接，內(nèi)導體穿過接地板和介質(zhì)基片與輻射元相接的。適當選擇饋入點，可使天線與饋線匹配。這種饋電方式又稱底饋，如圖7－31所示，其中左圖為截面圖，右圖為俯視圖。另一種是用同軸線饋電的，主要是以同軸線的外導體直接與接地圖7－31圖7－317.2.2微帶天線的輻射原理

我們以矩形微帶天線為例，介紹它的輻射原理。

設輻射元的長為l，寬為w，介質(zhì)基片的厚度為h，現(xiàn)將輻射元、介質(zhì)基片和接地板視為一段長度為l的微帶傳輸線，在傳輸線的兩端斷開形成開路，如圖7－32所示。

由于基片厚度h<<λ，場沿h方向均勻分布，在最簡單的情況下，場在寬度w方向也沒有變化，而僅在長度方向有變化，其場分布如圖7－33所示。7.2.2微帶天線的輻射原理

我們以矩形微帶天線為例，圖7－32圖7－32圖7－33圖7－33矩形微帶天線的輻射場可以基本上認為是由輻射片兩端開路（始端與終端）上邊緣場產(chǎn)生的。在兩個開路端的電場均可以分解為相對于接地板垂直的法向分量和相對于接地板平行的切向分量，兩端口處的垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向上，兩個水平分量的電場所激發(fā)的遠區(qū)場同相疊加，而兩個垂直分量所產(chǎn)生的場反相抵消。因此，兩個開路端的水平分量可以等效為無限大的平面上同相激勵的兩個縫隙，如圖7－34所示。矩形微帶天線的輻射場可以基本上認為是由輻射片兩端開路（始圖7－34圖7－34縫隙的電場方向與長邊w垂直，并沿長邊均勻分布?？p的寬度Δl≈h，長度為w，兩縫間距l(xiāng)≈λ/2。這就是說，矩形微帶天線的輻射可以等效為由兩個縫隙所組成的二元陣。其方向特性等參數(shù)可以根據(jù)天線陣的知識討論得到。

進一步的分析可以得到，微帶天線的方向系數(shù)較低。除此之外，微帶天線的缺點還有頻帶窄、損耗大、功率容量小等。盡管如此，由于微帶制作的天線陣一致性很好，且易于集成，故很多場合中將其設計成微帶天線陣，而得到了廣泛的應用?？p隙的電場方向與長邊w垂直，并沿長邊均勻分布。縫的寬度Δ目前微帶天線已廣泛應用于軍事及民用領域，例如在各種雷達、通信、遙感等設備，特別是在各種空間飛行器上獲得了廣泛的應用。

微帶天線的發(fā)展歷史較短，有許多問題尚待解決。特別突出的有兩個問題：一個是在實驗基礎上研究建立起微帶天線完整的理論和分析方法；另一個是如何展寬微帶天線的頻帶，提高效率。隨著這兩個問題的解決，微帶天線的應用將更加廣泛。目前微帶天線已廣泛應用于軍事及民用領域，例如在各種雷達、項目七用HFSS仿真波導縫隙天線7.1縫隙天線7.2微帶天線項目七用HFSS仿真波導縫隙天線7.1縫隙天線 7.1縫隙天線

7.1.1理想縫隙天線

常見縫隙天線就是在波導壁上開有縫隙，以用來輻射或接收電磁波的天線。在研究實際的縫隙天線之前，先討論在無限大和無限薄的理想導電平板上的縫隙——理想縫隙天線。理想縫隙天線的橫向尺寸遠小于波長，縱向尺寸通常為λ/2。 7.1縫隙天線

7.1.1理想縫隙天線

常設yOz為無限大和無限薄的理想導電平板，在此面上沿z軸開一個長為2l、寬為W（W<<λ）的縫隙。根據(jù)電磁場在金屬表面的分布特點，只可能存在平行于金屬表面的磁場和垂直于金屬表面的電場。所以縫隙中的場可近似地認為是由金屬表面的磁場感應出來的，是垂直于縫隙的長邊的電場，如果不忽略短邊處的邊界條件限制，其分布可挖為如圖7－1(a)所示。這個電場可以向外輻射電磁波，具有天線的功能，所以叫縫隙天線。設yOz為無限大和無限薄的理想導電平板，在此面上沿z軸開根據(jù)項目三對線天線的分析得知，電基本振子可以產(chǎn)生變化的磁場，進而產(chǎn)生電磁波。因此理想縫隙中的電場可以認為是某個磁對稱振子（類比于電流，相當于磁流）產(chǎn)生的，這樣一來，對縫隙天線的分析，可轉(zhuǎn)化為對磁對稱振子的分析。如圖7－1(b)所示。

仔細研究自由空間里的麥克斯韋方程組，可將其分成以下兩組(7－1)(7－2)根據(jù)項目三對線天線的分析得知，電基本振子可以產(chǎn)生變化的磁圖7－1圖7－1我們發(fā)現(xiàn)上述四個方程具有對偶性，即將E和H互換，ε和－μ互換，方程的表達形式不變。所以求解磁對稱振子產(chǎn)生的電磁場，其結(jié)果和電對稱振子的結(jié)果類似，只是將原來的電場變?yōu)榇艌?，原來的磁場變?yōu)殡妶觯斎贿€有些符號的變動。具體可參閱參考書目。

根據(jù)前面的介紹，長度為2l的對稱振子的輻射場為(7－3)其方向性函數(shù)為(7－4)我們發(fā)現(xiàn)上述四個方程具有對偶性，即將E和H互換，ε和－μ由于理想縫隙天線與板狀對稱振子具有對偶性。因此，根據(jù)對偶原理，理想縫隙天線的方向性函數(shù)與同長度的對稱振子的方向性函數(shù)在E面和H面是相互交換的，如圖7－2所示。圖7－2由于理想縫隙天線與板狀對稱振子具有對偶性。因此，根據(jù)對偶由于利用了對偶關系，此式假設了縫上電壓（或切向電場）沿縫隙軸線也是按正弦分布的。對比理想縫隙與對稱振子的場可以看出：

（1）二者的方向相同，方向性函數(shù)都是(7－5)與對稱振子一樣，常用的縫隙天線是半波縫隙，即l=λ/4，將其代入式(7－5)得(7－6)在包含縫隙軸線的平面內(nèi)，方向圖是“8”字形；在垂直于縫隙軸線的平面內(nèi)，方向圖是圓形。由于利用了對偶關系，此式假設了縫上電壓（或切向電場）沿縫（2）二者的主平面互換了位置，包含縫隙軸線的平面是H面，而垂直于縫隙軸線的平面是E面。因此，垂直縫隙（縫隙軸線在垂直方向）是水平極化的，水平縫隙是垂直極化的。（2）二者的主平面互換了位置，包含縫隙軸線的平面是H面，7.1.2波導縫隙天線

在波導壁的適當位置和方向上開的縫隙也可以有效地輻射和接收無線電波，這種開在波導上的縫隙稱為波導縫隙天線。

常見的波導縫隙天線是由開在矩形波導壁上的縫隙構(gòu)成的。波導縫隙要成為有效的天線必須選擇適當?shù)奈恢煤头较颉２▽系目p隙是不需要另外的饋線的，它輻射的能量來自波導內(nèi)的電磁波。設矩形波導傳輸TE10波，其內(nèi)壁的電流如圖7－3所示。7.1.2波導縫隙天線

在波導壁的適當位置和方向上開的如果波導壁上所開縫隙能切割波導內(nèi)壁的表面電流線，則波導內(nèi)壁電流的一部分將以位移電流的形式通過縫隙，因而縫隙被激勵，并將波導內(nèi)的功率通過縫隙向空間輻射電磁波，如圖7－3中的縫1，這種縫隙稱為輻射縫隙。當縫隙軸向方向與電流線平行時，不能在縫隙區(qū)建立切向電場，因此縫隙未被激勵，不能向外輻射功率，這種縫隙稱為非輻射縫隙，如圖7－3中的縫2。如果波導壁上所開縫隙能切割波導內(nèi)壁的表面電流線，則波導內(nèi)圖7－3圖7－3實驗證明，沿波導縫隙的電場分布與理想縫隙的幾乎一樣，近似為正弦分布，但由于波導縫隙是開在有限大的波導壁上的，輻射受沒有開縫的其他三面波導壁的影響，因此是單向輻射。

單縫隙天線的方向性是比較弱的，為了提高天線的方向性，可在波導的一個壁上開多個縫隙組成天線陣。這種天線陣的饋電比較方便，其天線和饋線集于一體。適當改變縫隙的位置和取向就可以改變縫隙的激勵強度，以獲得所需要的方向性。其缺點是頻帶比較窄。實驗證明，沿波導縫隙的電場分布與理想縫隙的幾乎一樣，近似為了增加縫隙天線的方向性，可在波導的同一壁上按一定規(guī)律開多條尺寸相同的縫隙，構(gòu)成波導縫隙天線陣。根據(jù)波導內(nèi)傳輸波的形式又可將縫隙陣天線分為諧振式縫隙天線陣和非諧振式縫隙天線陣。諧振式縫隙天線陣波導終端通常接短路活塞，波導內(nèi)傳輸波的形式是駐波；非諧振式縫隙天線陣波導終端通常接匹配負載，波導內(nèi)傳輸波的形式是行波。

縫隙天線陣元的形式是多種多樣的，這是由于波導場分布的特點，使單個縫隙天線（陣元）的位置比較靈活，甚至只要附加適當?shù)募钤ㄈ绮迦氩▽?nèi)部的螺釘式金屬桿），就可使在不能輻射電磁波位置上的縫隙也變成輻射元。為了增加縫隙天線的方向性，可在波導的同一壁上按一定規(guī)律開7.1.3用HFSS仿真計算波導縫隙天線

任務要求：仿真波導縫隙天線的特性參數(shù)。

測試設備：計算機、HFSS軟件。

設計步驟

1.初始步驟

(1)打開軟件AnsoftHFSS。

點擊Start按鈕，選擇Program，然后選擇Ansoft/HFSS11，點擊HFSS11。7.1.3用HFSS仿真計算波導縫隙天線

任務要求：仿（2）新建一個項目。

在窗口中，點擊新建按鈕，或者選擇菜單項File/New。

在Project菜單中，選擇InsertHFSSDesign。

（3）設置求解類型。

點擊菜單項HFSS/SolutionType，在跳出窗口中選擇DrivenModal，再點擊OK按鈕，如圖7－4所示。

（4）為建立模型設置適合的單位，如圖7－5所示。（2）新建一個項目。

在窗口中，點擊新建按鈕，或者選圖7－4圖7－4圖7－5圖7－5

2.創(chuàng)建3D模型

(1)繪制波導。

選擇菜單項Draw/box，繪制一個長方體；設置長方體基坐標，X：－11.43，Y：0.0，Z：0.0，按下確認鍵；再輸入dX：22.86，dY：29.8125，dZ：10.16，按下確認鍵。定義長方體的屬性：Name為waveguide，Transport項為0.8，如圖7－6所示。2.創(chuàng)建3D模型

(1)繪制波導。

選擇菜單項D圖7－6圖7－6（2）繪制縫隙。

如圖7－7所示，由主菜單選擇Modeler/CoordinateSystem/Create/RelativeCS/Offset，設置相對坐標系，以便于繪制縫隙。圖7－7（2）繪制縫隙。

如圖7－7所示，由主菜單選擇Mod在坐標輸入欄中輸入坐標：X：0.0，Y：9.9375，Z：10.16。

選擇菜單項Draw/box，繪制一個長方體：設置長方體基坐標，X：－0.5，Y：-7.0，Z：0.0，按下確認鍵；再輸入dX：1.0，dY：14.0，dZ：1.0，按下確認鍵。再定義長方體的Name為slot。

選擇菜單項Draw/cylinder，繪制一個圓柱體cylinder1：

在坐標輸入欄輸入圓柱體中心點坐標，X：0.0，Y：-7.0，Z：0.0，按下確認鍵；

再輸入dX：0.5，dY：0.0，dZ：0.0，按下確認鍵；在坐標輸入欄中輸入坐標：X：0.0，Y：9.9375，Z再輸入dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0，按下確認鍵。

同理，再繪制一個圓柱體cylinder2，尺寸坐標依次輸入為：

X：0.0，Y：7.0，Z：0.0；

dX：0.5，dY：0.0，dZ：0.0；

dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0。

在操作歷史樹中利用Ctrl鍵選擇slot、cylinder1、cylinder2，在菜單欄中點擊Modeler/Boolean/Unite，結(jié)果如圖7－8所示。再輸入dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0，按下確認圖7－8圖7－8圖7－9圖7－9圖7－10圖7－10

(3)繪制空氣盒。

軟件在計算輻射特性時，是在模擬實際的自由空間的情形。類似于將天線放入一個矩形微波暗室。一個在暗室中的天線輻射出去的能量理論上不應該反射回來。在模型中的空氣盒子就相當于暗室，它吸收天線輻射出的能量，同時可以提供計算遠場的數(shù)據(jù)?？諝夂凶拥脑O置一般來說有兩個關鍵：一是形狀，二是大小。形狀就像微波暗室一樣，要求反射盡可能得低，那么就要求空氣盒子的表面應該與模型表面平行，這樣能保證從天線發(fā)出的波盡可能垂直入射到空氣盒子內(nèi)表面，確切地說，是要使大部分波輻射到空氣盒子的內(nèi)表面入射角要小，盡可能少地防止反射的發(fā)生?？諝夂凶哟笮。碚撋蟻碚f，空氣盒子越大越接近理想自由空間；極限來說，如果盒子無限大，那么模型就處在一個理想自由空間中。但是硬件條件不允許盒子太大，越大計算量越大。一般要求空氣盒子離開最近的輻射面距離不小于1/4波長。所要設計的天線中心頻率為10GHz，對應波長為0.03m，故所設置空氣盒的尺寸坐標如圖7－11所示。(3)繪制空氣盒。

軟件在計算輻射特性時，是在模擬實圖7－11圖7－11圖7－12圖7－12

3.設置邊界條件和激勵源

(1)將air設置成輻射邊界條件。

在操作歷史樹中選中air，單擊鼠標右鍵，進入AssignBoundary選項，點擊Raditation選項。此時HFSS系統(tǒng)提示為此邊界命名，取名為air，如圖7－13所示。3.設置邊界條件和激勵源

(1)將air設置成輻射邊圖7－13圖7－13圖7－14圖7－14

(2)將縫隙開口處設置為理想磁壁。

通過selectbyname選中縫隙slot的上表面，進入AssignBoundary選項，點擊PerfectH。將沒有設置的面默認為理想導體面。

(3)給波導一端開口處設置波端口，另一端不設置默認為理想導體面（即短路面）。設置積分線時，輸入坐標如下：

X：0.0，Y：29.8125，Z：0.0

dX：0，dY：0.0，dZ：10.16

設置好后如圖7－15所示。(2)將縫隙開口處設置為理想磁壁。

通過select圖7－15圖7－15圖7－16圖7－16

4.設置求解條件

在Project工作區(qū)選中Analysis項，點擊鼠標右鍵，選擇AddSolutionSetup。

這時系統(tǒng)會彈出求解設置對話框，我們把參數(shù)設為：點頻為10GHz，最大迭代次數(shù)為15，最大誤差為0.02，如圖7－17所示。4.設置求解條件

在Project工作區(qū)選中Anal圖7－17圖7－17將求解的條件設好后，我們來看看HFSS的前期工作是否完成，在HFSS菜單下，點擊ValidationCheck（或直接點擊圖標）。

再次選中Project工作區(qū)的Analysis；點擊鼠標右鍵，選中Analyze即可開始求解。將求解的條件設好后，我們來看看HFSS的前期工作是否完成

5.優(yōu)化求解

(1)首先我們定義幾個優(yōu)化變量及其范圍。

在菜單欄中點擊Project/ProjectVariables，在ProjectVariables標簽中選擇Value，點擊Add添加工程變量$L，將其值設為13.5mm；繼續(xù)添加工程變量$offset，將其值設為2mm。

（2）在操作歷史樹中將原有尺寸設置成已定義的工程變量值。

在操作歷史樹中展開slot，雙擊CreateBox，在彈出的對話窗口中將原尺寸改為如圖7－18所示。5.優(yōu)化求解

(1)首先我們定義幾個優(yōu)化變量及其范圍圖7－18圖7－18展開slot中的Unite，雙擊cylinder1的CreateCylinder，在彈出來的對話窗口中將CenterPosition原尺寸X：0.0，Y：-7.0，Z：0.0改為：X：0.0，Y：-$L/2，Z：0.0。

同樣地，展開slot中的Unite，雙擊cylinder2的CreateCylinder，在彈出來的對話窗口中將CenterPosition原尺寸X：0.0，Y：7.0，Z：0.0改為：X：0.0，Y：$L/2，Z：0.0。

再在操作歷史樹中雙擊slot下的Move，將MoveVector坐標修改為：$offset，0mm，0mm。展開slot中的Unite，雙擊cylinder1的Cr（3）設置優(yōu)化函數(shù)。

①在菜單欄中點擊Project/ProjectVariables，在ProjectVariables標簽中選擇Optimization，選中待優(yōu)化變量$L，將優(yōu)化變量的范圍分別設置為［13mm，15mm］，如圖7－19所示。（3）設置優(yōu)化函數(shù)。

①在菜單欄中點擊Project圖7－19圖7－19②在菜單欄中點擊HFSS/Results/OutputVariables，添加輸出變量cost。首先點擊Function，插入abs。點擊Report下拉菜單，選擇ModelSolutionData，Solution中選擇Setup1：LastAdaptive，然后進行如圖7－20的設置。②在菜單欄中點擊HFSS/Results/OutputV圖7－20圖7－20③選擇Project工作區(qū)的Optimetrics，點擊鼠標右鍵，選擇Add項進而選擇Optimization項，如圖7－21所示。圖7－21③選擇Project工作區(qū)的Optimetrics，點擊此時HFSS系統(tǒng)會彈出Optimization設置對話框，點擊SetupCalculation按鈕，跳出如圖7－22所示的對話框。圖7－22此時HFSS系統(tǒng)會彈出Optimization設置對話框如圖7－23所示，在跳出的對話框點擊OutputVariables，選中cost添加為CalculationExpression，再設置優(yōu)化目標、Weight（權(quán)值）、Acceptable(可接受誤差)等，讓軟件通過仿真自動找到接近設計目標的最佳尺寸。設置好后如圖7－24所示。

④設置完后，在Project工作區(qū)選擇OptimizationSetup1，點擊鼠標右鍵選擇Analyze求解。

(4)優(yōu)化結(jié)果。

經(jīng)過優(yōu)化，結(jié)果為：在$offset=2mm時，諧振長度$L=13.69mm。如圖7－23所示，在跳出的對話框點擊OutputVari圖7－23圖7－23圖7－24圖7－24

6.波導縫隙天線的HFSS仿真結(jié)果

（1）經(jīng)過優(yōu)化后選擇offset=2mm，諧振長度$L=13.69mm，選擇菜單項HFSS/Radiation/InsertFarField/Setup/InfiniteSphere，在跳出窗口中，為了看天線的3D增益方向圖，選擇InfiniteSphere標簽，設置如下：

Phi：（Start：0，Stop：360，StepSize：2）

Theta：（Start：0，Stop：180，StepSize：2）

設置如圖7－25所示。6.波導縫隙天線的HFSS仿真結(jié)果

（1）經(jīng)過優(yōu)化后

(2)選擇菜單項HFSS/Results/CreateFarFieldReport/3DPolarPlot，在跳出窗口中設置：

Solution：Setup1LastAadptive

Geometry：InfiniteSphere1

點擊確定鍵后，該天線3D增益方向圖如圖7－26所示。(2)選擇菜單項HFSS/Results/CreateF圖7－25圖7－25圖7－26圖7－26

(3)選擇菜單項HFSS/Radiation/InsertFarField/Setup/InfiniteSphere,在跳出窗口中，為了看天線的2D增益方向圖，選擇InfinteSphere標簽，設置如圖7－27所示。

(4)選擇菜單項HFSS/Results/CreateFarFieldsReport/RadiationPattern，在跳出窗口中設置Solution：Se