《電波與天線》課件第8章

項目八用HFSS仿真喇叭天線8.1面天線輻射的基本原理8.2喇叭天線 8.1面天線輻射的基本原理

8.1.1面元的輻射如圖8－1所示，面天線的結構包括金屬導體S′、金屬導體的開口面S（即口徑面）及由S′和S所構成的封閉曲面內的輻射源。由于在封閉面上有一部分是導體面S′，所以其上的場為零，這樣使得面天線的輻射問題簡化為口徑面S的輻射。設口徑面上的場分布為ES，根據惠更斯—菲涅爾原理，面天線向空間輻射的電磁波，可以看成是由口徑面S上變化的電磁場激發(fā)的。把口徑面分割為許多面元dS，稱為惠更斯元。圖8－1面元是構成面天線口徑的微面積單元，它的作用與電流元（電基本振子）在線天線中所起的作用類似。由面元上的場分布即可求出其相應的輻射場。下面先來分析惠更斯元的輻射場。

設平面口徑上的一個惠更斯元為dS=dxdy，如圖8－2所示，其中n為惠更斯元dS的法線矢量。

面元位于xOy平面上，坐標原點位于面元的中心，長dx<<λ，寬dy<<λ。面元上的場在面元上為均勻分布，即各點的場強大小和相位都相同，且只有切向分量。若面元上切向電場為EOy，切向磁場為HOx，則EOy/HOx=120π。根據等效原理，我們可以把此基本輻射單元看成是由正交的基本電振子和基本磁振子組成的?；倦娬褡悠叫杏趛軸，長度為dy，基本磁振子平行于x軸，長度為dx。因而惠更斯元可以看做兩個正交的長度為dy，大小為HOxdx的電基本振子與長度為dx、大小為EOydy的磁基本振子的組合。圖8－2面元的輻射可以由這兩個互相垂直的等效電流元和等效磁流元來代替。這兩個線元輻射場的合成，就是面元的輻射場。

基本振子上的電流或磁流可根據面上的邊界條件得到。

基本電振子的電流為(8－1)基本磁振子的磁流為(8－2)

為了便于分析，先求φ=0°及φ=90°的兩個主平面的電場強度。在φ=0°的平面上（H面，即xOz平面）的空間任意一點M由基本電振子和基本磁振子產生的場強推導如下。

對于基本電振子，此平面為垂直于基本電振子軸的平面，射線與振子軸所成之角度為90°，此平面為電流元的最大輻射平面，因此它在該平面上M點所產生的場強為(8－3)對于基本磁振子，此平面為通過基本磁振子軸的平面，射線與振子軸所成的角度為90°－θ，因此磁流元所產生的場為(8－4)那么由基本電振子和基本磁振子在H面M點所產生的電場的總和為(8－5)在φ=90°的平面上（E面，即yOz平面），任意一點由基本電振子和基本磁振子所產生的場強可計算如下。對于基本電振子，此平面為通過振子軸的平面，射線與振子軸所成的角度為90°－θ，則它在M點所產生的場強為(8－6)對于基本磁振子，此平面為垂直于磁振子的平面，射線與磁振子軸成90°，所以E面正好是磁流元具有最大輻射的平面，它在M點所產生的場強為(8－7)那么，由基本電振子和基本磁振子在E面M點所產生的場強的總和為(8－8)當φ為任意值時，可將電振子和磁振子分成兩個分量，一個與E平面平行，另一個與E平面相垂直?？梢宰C明，對于任意θ和任意φ方向，電場強度同時具有θ和φ兩個分量，如下列形式:(8－9)(8－10)則惠更斯面元在空間任意一點M處所產生的場為(8－11)這就是平面口徑面上惠更斯面元的場微分。在研究天線方向性時，通常只關心兩個主平面的情況，所以，我們只介紹面元的兩個主平面的輻射。

在式（8－9）、（8－10）中，令φ=90°得面元在E平面的輻射場為(8－12)其中，dS=dxdy

同樣，令φ=0°得面元在H平面的輻射場為(8－13)由于式（8－12）與式（8－13）兩等式右邊在形式上相同，故惠更斯元在E面和H面的輻射場可統(tǒng)一為(8－14)因此，惠更斯元在E面和H面的方向性函數均為(8－15)按上式可畫出E面和H面的方向圖如圖8－3所示。圖8－3由圖8－3可知，惠更斯元具有單向輻射特性，其最大輻射方向在θ=0°方向上，即最大輻射方向與面元垂直。

面元是面天線的基本輻射單元，正如線元與線天線的關系一樣。面天線是由很多面元構成的，它們是一種連續(xù)陣。因此，計算面天線在空間的輻射場時需要采取積分的方法。8.1.2同相等幅矩形口徑面的輻射特性

我們研究最簡單的情形，即整個口徑面的場同相等幅時的輻射特性。設矩形口徑面的尺寸為d1×d2，根據前面討論，積分得E平面和H平面方向性函數分別為(8－16)(8－17)由上式可見，方向性函數由兩部分組成：一個因子是(1+cosθ)/2，為惠更斯面元的自因子；第二個因子是口徑面上連續(xù)分布源的陣因子。電場和磁場的方向圖形狀一樣，如圖8－4所示。

由圖8－4可知，最大輻射方向在θ=0°方向上，且當d1>>λ，d2>>λ時，輻射場能量主要集中在z軸附近較小的θ角范圍內，因此在分析主瓣特性時，可認為。于是，可以近似地只考慮陣因子，且由于FE(θ)與FH(θ)的形式完全相同，因此可統(tǒng)一地表示E面及H面的方向性函數為(8－18)式中：(8－19)(8－20)由此可以看出等幅同相矩形口徑面的最大輻射方向在ψ=0處，即，最大輻射方向在同相矩形口徑面的法線方向。圖8－4 8.2喇叭天線

8.2.1喇叭天線的結構特點

喇叭天線是由波導壁逐漸張開并延伸構成的。如圖8－5所示，饋電波導可以是矩形或圓形的，圖（a）是H面扇形喇叭，它是保持矩形波導窄邊尺寸不變，逐漸張開寬邊，即在H面逐漸擴展所形成的；圖（b）是E面扇形喇叭，它是保持矩形波導寬邊尺寸不變，逐漸張開窄邊，即在E面逐漸擴展所形成的；圖（c）為楔形角錐喇叭，它是矩形波導寬邊和窄邊同時張開后形成的，角錐喇叭分兩種，喇叭的四個棱邊交于一點的稱為尖頂角錐喇叭，喇叭的四棱邊交于兩點的稱做楔形角錐喇叭；圖（d）是圓錐喇叭，它是由圓波導半徑逐漸張開形成的。

圖8－5根據惠更斯原理，終端開口的波導管可以構成一個輻射器。但是，波導口徑面的電尺寸很小，其輻射的方向性很差，而且，在波導開口處波的傳播條件發(fā)生突變，波導與開口面以外的空間特性阻抗不相匹配，將形成嚴重的反射，因而它的輻射特性差。所以，開口波導不宜做天線使用。為了避免波導末端反射，將波導逐漸張開就成為喇叭天線。因為波導逐漸張開，使其逐漸過渡到自由空間，因此可以改善波導與自由空間在開口面上的匹配情況。另外，喇叭的口徑面較大，可以形成較好的定向輻射，從而取得良好的輻射特性。喇叭天線是一種應用廣泛的微波天線，它的優(yōu)點是結構簡單、頻帶較寬、功率容量大、調整與使用方便。合理地選擇喇叭尺寸，可以獲得良好的輻射特性。此外，新型的多模喇叭和波紋喇叭能使矩形口徑面具有幾乎為旋轉對稱的方向圖，有利于提高組合天線的效率及增益系數，以適合衛(wèi)星通信和無線電天文學等對天線特性有較高要求的場合。8.2.2矩形口徑喇叭天線

矩形喇叭是由矩形波導兩壁張開而成的，如圖8－6給出了矩形口徑喇叭的幾何結構。

通常各喇叭壁的斜徑是不相等的。輸入波導的高為b而寬為a，口徑E面即yOz面高為H，H面即xOz面寬度為W。每個口徑截面上都有各自的平方相差常數，它們是(8－21)(8－22)圖8－6矩形波導中的最低模式TE10型波的場分布為(8－23)其中，a為矩形波導的寬邊。在矩形喇叭口徑面上的場分布可近似地寫為(8－24)當RE=RH=R時，角錐喇叭從楔形變成尖頂形。其口徑場為(8－25)當RH→∞時，可得E面扇形喇叭口徑場為(8－26)當RE→∞時，可得H面扇形喇叭口徑場為(8－27)當RE=RH=∞時，可得矩形波導中TE10型波的口徑場為(8－28)由以上各式可見，普通矩形喇叭的口徑場的振幅分布都保留矩形波導TE10波的余弦規(guī)律，口徑場的相位則因波導壁的逐漸張開而呈平方律變化。在已知口徑場的分布后，就可按前面計算面天線輻射場的方法求以上各種喇叭天線的輻射場，并確定其方向性。8.2.3用HFSS仿真喇叭天線的方向性

任務要求：用HFSS仿真喇叭天線的方向性。

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。

（2）新建一個項目。

在窗口中，點擊新建，或者選擇菜單項File/New，在Project菜單中，選擇Insert/HFSS/Design。

(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8－7所示。

(4)為建立模型設置單位為英寸，如圖8－8所示。圖8－7圖8－8

2.創(chuàng)建3D模型

1)繪制喇叭天線

(1)選擇菜單項Draw/Cylinder，繪制一個圓柱體。

設置圓柱體中心點坐標：

X：0.0，Y：0.0，Z：0.0，按下確認鍵；再輸入dX：0.838，dY：0.0，dZ：0.0；再輸入dX：0.0，dY：0.0，dZ：3.0，按下確認鍵。

定義圓柱體的屬性：Name為waveguide，Transport項為0.8。（2）設置相對坐標系。

由主菜單選Modeler/CoordinateSystem/Create/RelativeCS/Offset，設置相對坐標系；在坐標輸入欄中輸入坐標系原點坐標：X：0.0，Y：0.0，Z：3.0，按下確認鍵結束輸入。

（3）創(chuàng)建Taper。

選擇菜單項Draw/Cone，在坐標輸入欄輸入圓心點的坐標：

X：0.0，Y：0.0，Z：0.0，按下確認鍵；

再輸入dX：0.838，dY：0.0，dZ：0.0；再輸入dX：0.709，dY：0.0，dZ：0.0；再輸入dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.277后，按下確認鍵。

定義屬性：Name為Taper，Transport項為0.8。

(4)再次設置相對坐標系。

由主菜單選Modeler/CoordinateSystem/Create/RelativeCS/Offset，設置相對坐標系；在坐標輸入欄中輸入坐標系原點坐標：X：0.0，Y：0.0，Z：1.277，按下確認鍵結束輸入。

（5）創(chuàng)建Throat。

選擇菜單項Draw/Cylinder，繪制一個圓柱體；設置圓柱體中心點坐標，X：0.0，Y：0.0，Z：0.0，按下確認鍵；再輸入dX：1.547，dY：0.0，dZ：0.0；再輸入dX：0.0，dY：0.0，dZ：3.236，按下確認鍵。

定義圓柱體的屬性：Name為Throat，Transport項為0.8。

(6)將已建立的模型組合起來。

將已建立的模型顯示調整至合適大小，再將所有模型選中，由主菜單選Modeler/Boolean/Unit將所有模型組合起來；為組合模型重新命名為Horn-Air，如圖8－9所示。

（7）改變當前坐標系。

由主菜單選Modeler/CoordinateSystem/SetWorkingCS，在選擇坐標系窗口中，在下拉菜單中選擇CS：Global，點擊Select按鈕，設置當前坐標系為Global。圖8－9（8）挖掉HornAir創(chuàng)建喇叭天線模型Horn。

①選擇菜單項Draw/Cylinder，繪制一個圓柱體；設置圓柱體中心點坐標，X：0.0，Y：0.0，Z：0.0，按下確認鍵；再輸入dX：1.647，dY：0.0，dZ：0.0；再輸入dX：0.0，dY：0.0，dZ：7.463，按下確認鍵。

定義圓柱體的屬性：Name為Horn。②將已建立的模型顯示調整至合適大小，再將所有模型選中，由主菜單選Modeler/Boolean/Subtract，在Subtract窗口中設置：

BlankParts：Horn

ToolParts：Horn-Air

Clonetoolobjectsbeforesubtract復選框不選，點擊OK按鈕結束。得喇叭天線模型如圖8－10所示。圖8－10

2)給喇叭天線模型設置材料特性

在操作歷史樹中選中喇叭天線模型Horn，單擊鼠標右鍵，進入Properties選項，我們把喇叭天線模型Horn的材料屬性Material設置為理想導體pec，如圖8－11所示。圖8－11

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據?？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表面，確切地說，是要使大部分波輻射到空氣盒子的內表面入射角要小，盡可能少地防止反射的發(fā)生。理論上來說，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。因為要設計的天線總體是個圓柱體，故中心頻率為5GHz，對應波長為0.06m，所以所設置的圓柱體空氣盒的尺寸坐標如圖8－12所示。圖8－12圖8－13

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，如圖8－14所示。此時HFSS系統(tǒng)提示為此邊界命名，取名為air，如圖8－15所示。

設置air邊界條件后的視窗如圖8－16所示。圖8－14圖8－15圖8－16（2）創(chuàng)建波端口激勵。

①創(chuàng)建波端口圓面模型。

②選擇菜單項Draw/Circle，繪制一個圓形；設置圓形中心點坐標，X：0.0，Y：0.0，Z：0.0，按下確認鍵；再輸入半徑dX：0.838，dY：0.0，dZ：0.0，按下確認鍵結束。定義圓面的屬性：Name為p1。

③通過selectbyname選中端口圓面p1，進入WavePort選項，如圖8－17所示。圖8－17④在跳出來的WavePort窗口中將該端口命名為p1。

⑤在Modes標簽中將模式數修改為2，對于模式1（Mode1）設置積分線時，輸入坐標如下：

X：-0.823，Y：0.0，Z：0.0

dX：1.676，dY：0.0，dZ：0.0

對于模式2（Mode2）設置積分線時，選擇CopyfromMode1，如圖8－18所示。圖8－18圖8－19圖8－20

4.設置輻射場

(1)設置相對坐標系RelativeCS3。

由主菜單選Modeler/CoordinateSystem/Create/RelativeCS/Offset，設置相對坐標系RelativeCS3；在坐標輸入欄中輸入坐標系原點坐標：X：0.0，Y：0.0，Z：7.463，按下確認鍵結束輸入。圖8－21（2）選擇菜單項HFSS/Radiation/InsertFarField/Setup/InfiniteSphere。

在跳出窗口中，為了看天線的2D增