喇叭天线设计要点

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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。普通喇叭天线结构

2、原理图如1.1所示。化）（d）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 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参数和全波电磁场；自动化的设计流程，易学易用；稳定成熟的自

3、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。2 设计过程HFSS电磁场仿真软件是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

4、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）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

5、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（Lu

6、mped 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 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

7、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-26.5GH

8、z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。3bG 九 23G2 九 4a4 - aa3 +a =（公式 2.1）118兀1 32 兀 2 2apapa - aR = R =pa（公式 2.2）e

9、h3 九 1b = （b +pb2 + 8 九R（公式 2.3）12e其中8 = 0.5。ap可以计算出Re=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。结构名称变量名变量值(单位mm)1/4波长length3.41喇叭结构参数波导宽度a10.668波导高度b4.318波导长度wlen

10、gth5*length喇叭口径宽度ai35喇叭口径高度bi25喇叭长度plength20.79同轴线结构参数外导体半径0.06in内导体半径0.025in外导体长度0.3in内导体长度0.3in+b/2表2.1 变量定义以及设计的喇叭天线的初始尺寸2.3 HFSS天线设计(1) 新建设计工程(2) 添加和定义设计变量从主菜单栏中选择【H FSS】【Design Properties】命令，打开设计属性对话框。添加各个变量，最后单击设计属性对话框中的确定按钮，完成所有变量的定义和添加工作。定义完所有设计变量后的设计属性对话框如图2.2所示。图2.2定义完所有设计变量后的设计属性对话框（3）设计模

11、型第一步：创建喇叭模型，分别在Z=0和Z=Plength的平面上创建大小为a*b,和*匕 的平面，平面的中心都位于Z轴上。然后选中这两个平面，执行【Modeler】T 【Surface】t【Connect】命令，生成喇叭模型。生成的喇叭模型如图2.3所示。图2.3生成的喇叭模型第二步：创建WR42波导模型，创建一个长方体模型用以表示WR42波导，该模型与喇叭的底部相接，其长、宽、高分别用前面定义的变量a，b和wlength表示,并将其命名为WR42。创建的矩形喇叭波导雏形如图2.4所示。D2550 (mm)图2.4创建的矩形喇叭波导雏形第三步：创建同轴馈线，同轴线馈电点放置于波导宽边中心线上，

12、其与底侧短路板的 距离为1/4个波长，同轴线的外导体与波导的外侧壁相接触。同轴线的外导体圆 半径为0.06英寸，外导体长度为0.3英寸；同轴线内导体半径为0.025英寸，内 导体在波导内长度为波导窄边长度的一半，即b/2。本设计创建两个圆柱体模型， 用来表示同轴线的外导体和内导体。最终成生的喇叭天线和同轴馈电线如图2.5 所示。图2.5最终成生的喇叭天线和同轴馈电线第四步：把喇叭天线的外表面设置为理想导体边界条件，因为喇叭天线的各个壁都是 金属材质，所以本设计需要把喇叭天线模型外侧表面都设置成理想导体边界条件 (Perfect E)。其中喇叭的口径面、同轴线端口面和同轴线内表面都不需要设置 为

13、理想导体边界条件。第五步：设置端口激励，把同轴线的端口面设置为负载阻抗为50欧姆的集总端口激 励。设置辐射边界条件，使用 HFSS 分析天线问题时，需要设置辐射边界条件， 且辐射边界表面距离辐射体需要不小于 1/4 个工作波长。本设计创建一个长方体 模型，该模型的所有表面都设置为辐射边界条件。( 4)求解设置天线的中心工作频率为22GHz，所以求解频率设置在22GHz频点。WR42 矩形波导的工作频段为 18GHz-26.5GHz ， 那么本设计的扫频范围设置为 18GHz-26.5GHz，扫频类型设置为快速扫频。2.4 设计结果在仿真完成后，利用 HFSS 的数据后处理功能分别查看喇叭天线的

14、以下分析 结果：在工作频率为22GHz时，E面和H面上的增益方向图以及三维增益方向 图，回波损耗S11的扫频分析结果。(1)查看E面和H面上的增益方向图天线增益即用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力 ，是在输入功率 相等 的条件下 ，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功 率密度之比。增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度 ，而在水平面 上保持全向的辐射性能。E面和H面上的增益方向图如图2.6所示。从分析结果 中可以看出，天线的最大增益约为15.85 dB,与本设计要求较为吻合。禺n 1:.dooq13 037210!XY Plot 1Gunia InlaLulMsp

15、kaw曲仙町Tduii &M11 LuiAdopkw FriqSGtlJ- Ph-KMiH-ZW.M-1IM.OCI-M.MQEQM：J1M.W1M.WanJ.flDTn恥回B图2 .6 E面和H面上的增益方向图(2)查看极坐标下E面和H面上的增益方向图方向图是表征天线辐射特性(场强、振幅、相位、极化)与空间角度关系 的图形。从方向图可以得到波瓣宽度，指天线的辐射图中低于峰值3 dB处所 成夹角的宽度。天线的方向性主要由主瓣宽度确定。主瓣宽度愈小，说明天线 辐射能量越集中，即接受能力愈强，定向作用和方向性也越强。而方向图中副 瓣电平越低，表明天线在不需要方向上辐射的能量越弱，即在这些方向对杂散 波的抑制能力更强，抗干扰性能更优越。极坐标下E面和H面上的增益方向图 如图2.7所示。Radiation Pattern 1图2.7极坐标下E面和H面上的增益方向图