《電波與天線》課件第8章

項(xiàng)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(jié)構(gòu)包括金屬導(dǎo)體S′、金屬導(dǎo)體的開口面S（即口徑面）及由S′和S所構(gòu)成的封閉曲面內(nèi)的輻射源。由于在封閉面上有一部分是導(dǎo)體面S′，所以其上的場(chǎng)為零，這樣使得面天線的輻射問題簡(jiǎn)化為口徑面S的輻射。設(shè)口徑面上的場(chǎng)分布為ES，根據(jù)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(chǎng)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(gòu)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(chǎng)分布即可求出其相應(yīng)的輻射場(chǎng)。下面先來分析惠更斯元的輻射場(chǎng)。

設(shè)平面口徑上的一個(gè)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(biāo)原點(diǎn)位于面元的中心，長(zhǎng)dx<<λ，寬dy<<λ。面元上的場(chǎng)在面元上為均勻分布，即各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小和相位都相同，且只有切向分量。若面元上切向電場(chǎng)為EOy，切向磁場(chǎng)為HOx，則EOy/HOx=120π。根據(jù)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(zhǎng)度為dy，基本磁振子平行于x軸，長(zhǎng)度為dx。因而惠更斯元可以看做兩個(gè)正交的長(zhǎng)度為dy，大小為HOxdx的電基本振子與長(zhǎng)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(gè)互相垂直的等效電流元和等效磁流元來代替。這兩個(gè)線元輻射場(chǎng)的合成，就是面元的輻射場(chǎng)。

基本振子上的電流或磁流可根據(jù)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(gè)主平面的電場(chǎng)強(qiáng)度。在φ=0°的平面上（H面，即xOz平面）的空間任意一點(diǎn)M由基本電振子和基本磁振子產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)推導(dǎo)如下。

對(duì)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(diǎn)所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為(8－3)對(duì)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(chǎn)生的場(chǎng)為(8－4)那么由基本電振子和基本磁振子在H面M點(diǎn)所產(chǎn)生的電場(chǎng)的總和為(8－5)在φ=90°的平面上（E面，即yOz平面），任意一點(diǎn)由基本電振子和基本磁振子所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)可計(jì)算如下。對(duì)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(diǎn)所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為(8－6)對(duì)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(diǎn)所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為(8－7)那么，由基本電振子和基本磁振子在E面M點(diǎn)所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的總和為(8－8)當(dāng)φ為任意值時(shí)，可將電振子和磁振子分成兩個(gè)分量，一個(gè)與E平面平行，另一個(gè)與E平面相垂直?？梢宰C明，對(duì)于任意θ和任意φ方向，電場(chǎng)強(qiáng)度同時(shí)具有θ和φ兩個(gè)分量，如下列形式:(8－9)(8－10)則惠更斯面元在空間任意一點(diǎn)M處所產(chǎn)生的場(chǎng)為(8－11)這就是平面口徑面上惠更斯面元的場(chǎng)微分。在研究天線方向性時(shí)，通常只關(guān)心兩個(gè)主平面的情況，所以，我們只介紹面元的兩個(gè)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(chǎng)為(8－12)其中，dS=dxdy

同樣，令φ=0°得面元在H平面的輻射場(chǎng)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(chǎng)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(shù)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(guān)系一樣。面天線是由很多面元構(gòu)成的，它們是一種連續(xù)陣。因此，計(jì)算面天線在空間的輻射場(chǎng)時(shí)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(jiǎn)單的情形，即整個(gè)口徑面的場(chǎng)同相等幅時(shí)的輻射特性。設(shè)矩形口徑面的尺寸為d1×d2，根據(jù)前面討論，積分得E平面和H平面方向性函數(shù)分別為(8－16)(8－17)由上式可見，方向性函數(shù)由兩部分組成：一個(gè)因子是(1+cosθ)/2，為惠更斯面元的自因子；第二個(gè)因子是口徑面上連續(xù)分布源的陣因子。電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(dāng)d1>>λ，d2>>λ時(shí)，輻射場(chǎng)能量主要集中在z軸附近較小的θ角范圍內(nèi)，因此在分析主瓣特性時(shí)，可認(rèn)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(shù)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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

圖8－5根據(jù)惠更斯原理，終端開口的波導(dǎo)管可以構(gòu)成一個(gè)輻射器。但是，波導(dǎo)口徑面的電尺寸很小，其輻射的方向性很差，而且，在波導(dǎo)開口處波的傳播條件發(fā)生突變，波導(dǎo)與開口面以外的空間特性阻抗不相匹配，將形成嚴(yán)重的反射，因而它的輻射特性差。所以，開口波導(dǎo)不宜做天線使用。為了避免波導(dǎo)末端反射，將波導(dǎo)逐漸張開就成為喇叭天線。因?yàn)椴▽?dǎo)逐漸張開，使其逐漸過渡到自由空間，因此可以改善波導(dǎo)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(yīng)用廣泛的微波天線，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶較寬、功率容量大、調(diào)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(zhuǎn)對(duì)稱的方向圖，有利于提高組合天線的效率及增益系數(shù)，以適合衛(wèi)星通信和無線電天文學(xué)等對(duì)天線特性有較高要求的場(chǎng)合。8.2.2矩形口徑喇叭天線

矩形喇叭是由矩形波導(dǎo)兩壁張開而成的，如圖8－6給出了矩形口徑喇叭的幾何結(jié)構(gòu)。

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

任務(wù)要求：用HFSS仿真喇叭天線的方向性。

測(cè)試設(shè)備：計(jì)算機(jī)、HFSS軟件。

設(shè)計(jì)步驟

1.初始步驟

(1)打開軟件AnsoftHFSS。

點(diǎn)擊start按鈕，選擇program，然后選擇Ansoft/HFSS11，點(diǎn)擊HFSS11。

（2）新建一個(gè)項(xiàng)目。

在窗口中，點(diǎn)擊新建，或者選擇菜單項(xiàng)File/New，在Project菜單中，選擇Insert/HFSS/Design。

(3)設(shè)置求解類型。

點(diǎn)擊菜單項(xiàng)HFSS/SolutionType，在跳出窗口中選擇DrivenModal，再點(diǎn)擊OK按鈕，如圖8－7所示。

(4)為建立模型設(shè)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(xiàng)Draw/Cylinder，繪制一個(gè)圓柱體。

設(shè)置圓柱體中心點(diǎn)坐標(biāo)：

X：0.0，Y：0.0，Z：0.0，按下確認(rèn)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(rèn)鍵。

定義圓柱體的屬性：Name為waveguide，Transport項(xiàng)為0.8。（2）設(shè)置相對(duì)坐標(biāo)系。

由主菜單選Modeler/CoordinateSystem/Create/RelativeCS/Offset，設(shè)置相對(duì)坐標(biāo)系；在坐標(biāo)輸入欄中輸入坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)：X：0.0，Y：0.0，Z：3.0，按下確認(rèn)鍵結(jié)束輸入。

（3）創(chuàng)建Taper。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cone，在坐標(biāo)輸入欄輸入圓心點(diǎn)的坐標(biāo)：

X：0.0，Y：0.0，Z：0.0，按下確認(rèn)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(rèn)鍵。

定義屬性：Name為Taper，Transport項(xiàng)為0.8。

(4)再次設(shè)置相對(duì)坐標(biāo)系。

由主菜單選Modeler/CoordinateSystem/Create/RelativeCS/Offset，設(shè)置相對(duì)坐標(biāo)系；在坐標(biāo)輸入欄中輸入坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)：X：0.0，Y：0.0，Z：1.277，按下確認(rèn)鍵結(jié)束輸入。

（5）創(chuàng)建Throat。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder，繪制一個(gè)圓柱體；設(shè)置圓柱體中心點(diǎn)坐標(biāo)，X：0.0，Y：0.0，Z：0.0，按下確認(rèn)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(rèn)鍵。

定義圓柱體的屬性：Name為Throat，Transport項(xiàng)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(diào)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(dāng)前坐標(biāo)系。

由主菜單選Modeler/CoordinateSystem/SetWorkingCS，在選擇坐標(biāo)系窗口中，在下拉菜單中選擇CS：Global，點(diǎn)擊Select按鈕，設(shè)置當(dāng)前坐標(biāo)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(xiàng)Draw/Cylinder，繪制一個(gè)圓柱體；設(shè)置圓柱體中心點(diǎn)坐標(biāo)，X：0.0，Y：0.0，Z：0.0，按下確認(rèn)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(rèn)鍵。

定義圓柱體的屬性：Name為Horn。②將已建立的模型顯示調(diào)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(shè)置：

BlankParts：Horn

ToolParts：Horn-Air

Clonetoolobjectsbeforesubtract復(fù)選框不選，點(diǎn)擊OK按鈕結(jié)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(shè)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(biāo)右鍵，進(jìn)入Properties選項(xiàng)，我們把喇叭天線模型Horn的材料屬性Material設(shè)置為理想導(dǎo)體pec，如圖8－11所示。圖8－11

3)繪制空氣盒

軟件在計(jì)算輻射特性時(shí)，是在模擬實(shí)際的自由空間的情形。類似于將天線放入一個(gè)矩形微波暗室。一個(gè)在暗室中的天線輻射出去的能量理論上不應(yīng)該反射回來。在模型中的空氣盒子就相當(dāng)于暗室，它吸收天線輻射出的能量，同時(shí)可以提供計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)?？諝夂凶拥脑O(shè)置一般來說有兩個(gè)關(guān)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(yīng)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。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(gè)理想自由空間中。但是硬件條件不允許盒子太大，越大計(jì)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(zhǎng)。因?yàn)橐O(shè)計(jì)的天線總體是個(gè)圓柱體，故中心頻率為5GHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為0.06m，所以所設(shè)置的圓柱體空氣盒的尺寸坐標(biāo)如圖8－12所示。圖8－12圖8－13

3.設(shè)置邊界條件和激勵(lì)源

(1)將air設(shè)置成輻射邊界條件。

在操作歷史樹中選中air，單擊鼠標(biāo)右鍵，進(jìn)入AssignBoundary選項(xiàng)，點(diǎn)擊Raditation選項(xiàng)，如圖8－14所示。此時(shí)HFSS系統(tǒng)提示為此邊界命名，取名為air，如圖8－15所示。

設(shè)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(lì)。

①創(chuàng)建波端口圓面模型。

②選擇菜單項(xiàng)Draw/Circle，繪制一個(gè)圓形；設(shè)置圓形中心點(diǎn)坐標(biāo)，X：0.0，Y：0.0，Z：0.0，按下確認(rèn)鍵；再輸入半徑dX：0.838，dY：0.0，dZ：0.0，按下確認(rèn)鍵結(jié)束。定義圓面的屬性：Name為p1。

③通過selectbyname選中端口圓面p1，進(jìn)入WavePort選項(xiàng)，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(biāo)簽中將模式數(shù)修改為2，對(duì)于模式1（Mode1）設(shè)置積分線時(shí)，輸入坐標(biāo)如下：

X：-0.823，Y：0.0，Z：0.0

dX：1.676，dY：0.0，dZ：0.0

對(duì)于模式2（Mode2）設(shè)置積分線時(shí)，選擇CopyfromMode1，如圖8－18所示。圖8－18圖8－19圖8－20

4.設(shè)置輻射場(chǎng)

(1)設(shè)置相對(duì)坐標(biāo)系RelativeCS3。

由主菜單選Modeler/CoordinateSystem/Create/RelativeCS/Offset，設(shè)置相對(duì)坐標(biāo)系RelativeCS3；在坐標(biāo)輸入欄中輸入坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)：X：0.0，Y：0.0，Z：7.463，按下確認(rèn)鍵結(jié)束輸入。圖8－21（2）選擇菜單項(xiàng)HFSS/Radiation/InsertFarField/Setup/InfiniteSphere。

在跳出窗口中，為了看天線的2D增