喇叭天线设计要点.pdf
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1、1 1 课题背景 喇叭天线是一种应用广泛的微波天线,其优点是结构简单, 频带宽,功率容 量大,调整与使用方便。合理地选择喇叭天线尺寸,可以获得很好的辐射特性、 相当尖锐的主瓣、较小副瓣和较高的增益。因此,喇叭天线应用非常广泛,它是 一种常见的天线增益测试用标准天线。 喇叭天线就其结构来讲可以看成由两大部分构成:一是波导管部分, 横截面 有矩形,也有圆形;二是真正的喇叭天线部分。 波导部分相当于线天线中的馈线,是供给喇叭天线信号和能量的部分。对工 作于厘米波或毫米波段内的面天线,如采用线状馈线, 将因馈线自身的辐射损耗 太大不能把能量传送到面天线上,所以,必须采用自身屏蔽效果很好的波导管作 馈线
2、。普通喇叭天线结构原理图如1.1 所示。 图 1.1 普通喇叭天线结构原理图 HFSS全称为 High Frequency Structure Simulator ,是美国 Ansoft 公司(注: Ansoft 公司于 2008 年被 Ansys公司收购)开发的全波三维电磁仿真软件,也是 世界上第一个商业化的三维结构电磁仿真软件。该软件采用有限元法, 计算结果 2 精准可靠,是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。 HFSS采用标准的 Windows 图形用户界面, 简洁直观; 拥有精确自适应的场 解器和空前电性能分析能力的功能强大后处理器;能计算任意形状三维无源结构 的 S 参数和全波
3、电磁场; 自动化的设计流程, 易学易用; 稳定成熟的自适应网格 剖分技术,结果准确。使用HFSS,用户只需要创建或导入设计模型,指定模型 材料属性, 正确分配模型的边界条件和激励,准确定义求解设置, 软件便可以计 算并输出用户需要的设计结果。 HFSS软件拥有强大的天线设计功能,可以提供全面的天线设计解决方案, 是当今天线设计最为流行的软件。使用HFSS 可以仿真分析和优化设计各类天 线,能够精确计算天线的各种性能,包括二维、三维远场和近场辐射方向图、天 线的方向性系数、 S 参数、增益、轴比、输入阻抗、电压驻波比、半功率波瓣宽 度以及电流分布特性等。 3 2 设计过程 HFSS电磁场仿真软件
4、是 Ansoft 公司开发的应用切向矢量有限元法来求解任 意三维射频器件的电磁场分布的软件, 仿真后可直接得到特征阻抗、 传播系数、 S 参数、辐射场、天线方向图、驻波比、增益等结果。H F SS 能进行全面的全 参数化设计,从几何结构、材料特性到分析、控制及所有后期处理,具有强 大的参数化三维建模能力和高性能的图形能力,大大节省了工程师的设计时间。 2.1 HFSS 天线设计流程 使用 HFSS 软件进行天线设计的流程如下: (1)设置求解类型。使用 HFSS进行天线设计时,可以选择模式驱动 (Driven Modal)求解类型或者终端驱动 (Driven Terminal)求解类型。 (2
5、)创建天线的结构模型。根据所要设计的天线的初始尺寸参数和结构, 在 HFSS模型窗口中创建出天线的HFSS 参数化设计模型。另外,HFSS 也可以 直接导入由 AutoCAD 等第三方软件创建的结构模型。 (3)设置边界条件。在HFSS 中,与背景相接触的表面都被默认设置为理 想导体边界。为了模拟无限大的自由空间,在使用HFSS进行天线设计时,必须 把与背景相接触的表面设置为辐射边界条件或者理想匹配层(PML)边界条件,只 有这样 HFSS才能计算天线的远区辐射场。 (4)设置激励方式。天线必须通过传输线或者波导传输信号,天线与传输 线或者波导的连接处即为馈电面或者称为激励端口。天线设计中馈电
6、面的激励方 式主要有两种,分别是波端口激励(Wave Port)和集总端口激励 (Lumped Port)。通 常,与背景相接触的馈电面的激励方式使用波端口激励,而在模型内部的馈电面 的激励方式使用集总端口激励。 (5)设置求解参数,包括设定求解频率和扫频参数。其中,求解频率通常 设定为天线的中心工作频率。 (6)运行求解分析。上述操作完成后,即创建好天线模型,正确设置了边 界条件、激励方式和求解参数, 即可执行求解分析操作命令来运行仿真计算。整 个仿真计算由 HFSS 软件自动完成,不需要用户人为干预。分析完成后,如果结 4 果不收敛, 则需要重新设置求解参数; 如果结果收敛, 则说明计算结
7、果达到了设 定的精度要求。 (7)查看求解结果。求解分析完成后,在数据后处理部分查看HFSS 分析 出的天线的各项性能参数,如回波损耗S11、电压驻波比 VSWR、输入阻抗、天 线方向图、 轴比和电流分布等。 如果仿真计算的天线性能满足设计要求,那么就 完成了天线的仿真设计工作, 接下来可以着手天线的制作和调试工作。如果仿真 计算的天线性能未能达到设计要求,那么还需要使用 HFSS 的参数扫描分析功能 或者优化设计功能,进行参数扫描分析和优化设计。 (8)Optimetrics 优化设计。如果前面的分析结果未达到设计要求,那么还 需要使用 Optimetrics 模块的参数扫描分析功能和优化设
8、计功能来优化天线的结 构尺寸,以找到满足要求的天线设计。 2.2 设计要求和初始设计 设计一个 18GHz-26.5GHz最佳增益矩形喇叭, 其在 22GHz时的增益需要大于 15dB,喇叭天线用 WR42 矩形波导来馈电,其尺寸为a = 10.668mm,b = 4.318mm, 激励信号由特性阻抗为50 欧姆的同轴线导入。 先将增益比有分贝值换成无量纲值, 15dB的增益转换成无量纲值约为31.6 。 22GHz工作频率对应的波长为13.64mm ,然后将增益和波长值代入到公式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。 224 43
9、111 22 apap 3bG3G aaaa 832 (公式 2.1) 1 eh1 aa RRa 3 (公式 2.2) 2 1e 1 b(bb8 R 2 (公式 2.3) 其中 ap 0.5。 可以计算出 e R=20.79mm。 在本设计中, 波导长度取 5/4 个波长。同轴线馈电点位于波导宽边中心,馈 5 电点和短路板之间的距离为1/4 个波长,同轴线的外导体与波导的侧壁相连接, 内导体从波导宽边中心处插入到波导内部场强最大处,形成电场激励方式。 为了方便调节喇叭天线模型的物理尺寸,在设计中我们需要定义一系列变量 来表示天线的尺寸。变量定义以及设计的喇叭天线的初始尺寸如表2.1 所示。 结
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