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1、本科生科研训练结题报告 基于HFSS的圆锥喇叭天线设计 学院（系）：电子工程与光电技术学院 姓名、学号：郝晓辉 1104330111 席家祯 1104330126 白剑斌 1104330105 指导老师：钱嵩松摘要天线是对任何无线电通信系统都很重要的器件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。天线可分为简单线天线，行波天线，非频变天线，缝隙天线与微带天线，面天线和智能天线等。圆锥喇叭天线属于面天线。本文首先介绍了天线的基础知识和基本参数，其中着重介绍了喇叭天线及其设计,接着介绍了网络S参数及软件HFSS。在此基础上，进行了圆锥喇叭天线的设计，最后在软件HFSS中进行了仿真。本文对圆锥喇叭
2、天线的设计提供了一定的参考作用。关键词：圆锥喇叭天线；仿真 AbstractAntenna is an important part in any radio communication systems.The quality of antenna can affect the performance of whole systems.Antenna can be divided into simple Wire Antenna，Traveling-Wave Antenna，Frequence-Independent Antenna，Slot Antenna and Microstrip An
3、tenna，Aperture Antenna，Smart Antenna and so on.Cone horn antenna is one of the Aperture Antenna. In this paper,basic knowledge and basic parameters of antenna are presented firstly ,especially the horn antenna and its design be emphasized.Then S-parameter and HFSS software are briefly introduced. In
4、 the base of above ,the cone horn antenna is designed.At last ,the antenna is simulated in HFSS. This paper provides the reference to cone horn antenna. Keywords：conic horn antenna;simulation目录第1章 概述51.1 天线的应用背景51.1.1天线的发展与应用51.1.2喇叭天线的发展和应用61.2天线的基础知识61.2.1天线的原理71.2.2天线的辐射71.2.3方向系数91.2.4天线效率91.2.5
5、增益系数101.2.6输入阻抗101.2.7微波网络S参数111.3喇叭天线基础知识141.3.1喇叭天线参数141.3.2给定增益设计喇叭161.3.3根据参数要求计算尺寸参数17第二章 HFSS仿真喇叭天线172.1 HFSS简介172.2 圆锥喇叭天线的仿真182.2.1仿真步骤182.2.2仿真结果分析23第三章 结论与展望24引言 天线是一种换能器，它将传输线上传播的导行波，变换为在无界媒质（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。根据无线电系统对波段
6、的要求，天线的设计也不同。长中短波段，常用T形、环形、菱形等不同形状的导线构成天线；而在微波波段，常用金属板或网制成喇叭天线，抛物面天线，金属面上开槽的裂缝天线，金属或介质条排成的透镜天线等。 喇叭天线是一种广泛使用的微波天线，其优点是结构简单，频带宽，功率容量大，调整与使用方便，合理的选择喇叭尺寸可以获得良好的辐射特性，相当尖锐的主瓣和较高的增益。因此，喇叭天线在无线通信,雷达等领域得到广泛的应用。喇叭既可以做各种复杂天线的馈源,也能够直接作天线使用。喇叭天线就外形特性来说,有方形口径喇叭和圆形口径喇叭。方形口径喇叭天线辐射椭圆波束,从辐射方向图的圆对称性和圆极化工作性能方面都不如圆形口径喇
7、叭天线。圆形口径喇叭有单模喇叭,多模喇叭和平衡混合模喇叭。单模喇叭的典型代表就是光壁圆锥喇叭天线,光壁圆锥喇叭结构简单且具有良好的辐射特性,因此在大型阵列天线中使用非常广泛。近年来圆锥喇叭天线的理论和实验研究发展比较迅速,出现了多种改进形式:包括多模圆锥喇叭、波纹喇叭、变张角喇叭和介质加载喇叭等。第1章 概述1.1 天线的应用背景天线是任何无线电通信系统都离不开的重要前端器件。尽管设备的任务并不相同，但天线在其中所起的作用基本上是相同的。在图1-1所示的通信系统示意图中，天线的任务是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或将空间电波信号转换成高频电流能量送给接收机。为了能良好
8、地实现上述目的，要求天线具有一定的方向特性，较高的转换效率，能满足系统正常工作的频带宽度。天线作为无线电系统中不可缺少且非常重要的部件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。 图11 通信系统示意图无线通信的技术及业务的迅速发展既对天线提出许多新的研究方向，同时也促使了许多新型天线的诞生。例如多频多极化的微带天线，电扫描和多波束天线，自适应天线和智能天线。天线按照用途的不同，可将天线分为通信天线，广播和电视天线，雷达天线，导航和测向天线等；按照工作波长，可将天线分为长波天线，中波天线，短波天线以及微波天线等为了理论分析的方便，通常将天线按照其结构分成两大类：一类是由导线或金属棒构成的线天
9、线，主要用于长波，短波和超短波；另一类是由金属面或介质面构成的面天线，主要用于微波波段。面天线的种类很多，常见的有喇叭天线，抛物面天线，卡塞格伦天线。这类天线所载的电流是分布在金属面上的，而金属面的口径尺寸远大于工作波长。面天线在雷达，导航，卫星通信以及射电天文和气象等无线电技术设备中获得了广泛的应用。喇叭天线是最广泛使用的微波天线之一。1.1.1天线的发展与应用自赫兹和马可尼发明了天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，如今成为人们不可或缺之物。赫兹在 1886年建立了第一个天线系统，他当时装配的设备如今可描述为工作在米波波长的完整无线电系统，采用终端加载的偶极子作为发射天线，谐振环作为
10、接收天线。1895年5月7日俄罗斯科学家亚历山大利用电磁波送出第一个信号到 30英里外的海军舰艇上。1901年12月中旬，马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路，为较长的波长配置了大的天线和接地系统，并在纽芬兰的圣约翰斯接收到发自英格兰波尔多的无线电信号。一年后，马可尼便开始了正规的无线电通信服务。在 20世纪初叶，由于“共和国号”和“泰坦尼克号”海难事件，马可尼的发明戏剧性地表现出在海事上的价值。因为在无线电问世之前，船舶在海上是完全孤立的，当灾难来袭时，即使是岸上或邻近船舶上的人也无法给予提醒。随着第二次世界大战期间雷达的出现，厘米波得以普及，无线电频谱才得到了更为充分地利用。 如今，数以千计
11、的通信卫星正负载着天线运行于不同的轨道中，犹如土星的光环围绕土星那样围绕着地球；手持的全球定位卫星接收机能够为任何地面或空中的用户不分昼夜晴雨地提供经度、纬度和高度信息，其精确程度达到厘米级；载有天线阵的探测器在地面系统的指挥下已经访问了太阳系的其他行星；飞机和船舶随身携带的天线为其提供了必不可少的通信系统；移动电话借助于天线为人们提供任何地点和任何人的通信。随着人类活动向太空扩展，对天线的需求也将增长到史无前例的程度，天线将在未来的生活中担任着越来越重要的角色。1.1.2喇叭天线的发展和应用在微波波段，采用各种波导传输电磁波能量，常用的波导是矩形和圆形截面波导，也有用椭圆形截面波导的。随后人
12、们发现终端开口的波导也可以向外辐射电磁波，于是就有了波导终端开口构成的波导辐射器，这种馈源是传输线波导的自然发展。后来为了改善方向性，压窄方向图和获得较高的增益，需要增大波导辐射器的口径面积。将波导终端做成逐渐张开的形状，这就是喇叭天线。普通喇叭的方向图在各个平面内是不相同的，两个主平面内相位中心也不重合。喇叭作为反射面天线馈源时，要求它有确定的相位中心和接近圆对称的初级方向图，这样，旋转对称的反射面天线，可以获得接近圆对称的次级方向图，具有良好的电性能。而利用高次模和主模相结合的多模喇叭和在喇叭内壁开槽的波纹喇叭，辐射方向图可以做到圆对称，且工作频带宽。这两种形式的喇叭，副瓣电平低，交叉极化
13、分量小，相位特性良好。用它们作馈源，可使反射面天线效率提高到75%80%。喇叭天线的出现与早期应用可追溯到十九世纪后期，到了二十世纪三十年代，由于第二次世界大战期间对微波和波导传输线的兴趣，喇叭天线便开始发展起来。20 世纪 90 年代，随着军事斗争对毫米波制导需求的增长，以及在研制毫米波发射机和接收机方面的需求，喇叭天线获得了广泛的研究。目前，喇叭天线已大量用作遍及全世界安装的大型射电望远镜，以及卫星跟踪和通信反射面天线的馈电单元。除此之外，它也是相控阵的常用单元，并用作对其它天线进行校准和增益测试的标准天线。 喇叭天线由一段均匀波导和一段喇叭组成，可以看成是由横截面逐渐扩展而形成的一种天线
14、，一般分为矩形喇叭和圆锥喇叭两类。矩形喇叭天线又有 H 面扇形喇叭、E 面扇形喇叭和角锥喇叭之分。 由于上述普通矩形和圆锥喇叭天线具有结构简单，功率容量大和高增益的优点，所以在微波测量系统中被大量的用作标准测量天线。 1.2天线的基础知识描述天线工作特性的参数称为天线电参数，又称电指标。他们是定量衡量天线性能的尺度。我们需要了解天线电参数。大多数天线电参数是针对发射状态规定的，以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及定向辐射的能力。1.2.1天线的原理当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场。按电磁场在空间的分布特性，可分为近区，中间区，远区。设R为空间一点距导体的距离，在R
15、/2时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流,电压有紧密的联系。在R/2的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流，电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。发射天线正是利用辐射场的这种性质，使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射。在平行双线的传输线上为了使只有能量的传输而没有辐射，必须保证两线结构对称，线上对应点电流大小和方向相反，且两线间的距离。要使电磁场能有效地辐射出去，就必须破坏传输线的这种对称性，如采用把二导体成一定的角度分开，或是将其中一边去掉等方法，都能使导体对称性破坏而产生辐射。如图1-2，图中将开路传输或距离终端/4处的导体成直状分开，此时终端导体上的电流已不是反相而是同相了，从而使该段导体在空间点的辐射场同相迭加，构成一个有效的辐射系统。这就是最简单，最基本的单元天线，称为半波对称振子天线，其特性阻抗为75。电磁波从发射天线辐射出来以后，向四面传播出去，若电磁波传播的方向上放一对称振子，则在电磁波的作用下，天线振子上就会产生感
