喇叭天線設(shè)計(jì)

1、 1 課題背景喇叭天線是一種應(yīng)用廣泛的微波天線，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，頻帶寬，功率容量大，調(diào)整與使用方便。合理地選擇喇叭天線尺寸，可以獲得很好的輻射特性、相當(dāng)尖銳的主瓣、較小副瓣和較高的增益。因此，喇叭天線應(yīng)用非常廣泛，它是一種常見的天線增益測試用標(biāo)準(zhǔn)天線。喇叭天線就其結(jié)構(gòu)來講可以看成由兩大部分構(gòu)成：一是波導(dǎo)管部分，橫截面有矩形，也有圓形；二是真正的喇叭天線部分。波導(dǎo)部分相當(dāng)于線天線中的饋線，是供給喇叭天線信號和能量的部分。對工作于厘米波或毫米波段內(nèi)的面天線，如采用線狀饋線，將因饋線自身的輻射損耗太大不能把能量傳送到面天線上，所以，必須采用自身屏蔽效果很好的波導(dǎo)管作饋線。普通喇叭天線結(jié)構(gòu)原理圖如1

2、.1所示。圖1.1 普通喇叭天線結(jié)構(gòu)原理圖HFSS全稱為High Frequency Structure Simulator，是美國Ansoft公司（注：Ansoft公司于2008年被Ansys公司收購）開發(fā)的全波三維電磁仿真軟件，也是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁仿真軟件。該軟件采用有限元法，計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)可靠，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows圖形用戶界面，簡潔直觀；擁有精確自適應(yīng)的場解器和空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器；能計(jì)算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場；自動(dòng)化的設(shè)計(jì)流程，易學(xué)易用；穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，結(jié)果準(zhǔn)確。使用H

3、FSS，用戶只需要?jiǎng)?chuàng)建或?qū)朐O(shè)計(jì)模型，指定模型材料屬性，正確分配模型的邊界條件和激勵(lì)，準(zhǔn)確定義求解設(shè)置，軟件便可以計(jì)算并輸出用戶需要的設(shè)計(jì)結(jié)果。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，可以提供全面的天線設(shè)計(jì)解決方案，是當(dāng)今天線設(shè)計(jì)最為流行的軟件。使用HFSS可以仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)各類天線，能夠精確計(jì)算天線的各種性能，包括二維、三維遠(yuǎn)場和近場輻射方向圖、天線的方向性系數(shù)、S參數(shù)、增益、軸比、輸入阻抗、電壓駐波比、半功率波瓣寬度以及電流分布特性等。2 設(shè)計(jì)過程HFSS電磁場仿真軟件是Ansoft公司開發(fā)的應(yīng)用切向矢量有限元法來求解任意三維射頻器件的電磁場分布的軟件 ，仿真后可直接得到特征阻抗、傳播系數(shù)

4、 、S 參數(shù)、輻射場、天線方向圖、駐波比、增益等結(jié)果 。H F SS 能進(jìn)行全面的全參數(shù)化設(shè)計(jì) ，從幾何結(jié)構(gòu) 、材料特性到分析、控制及所有后期處理 ，具有強(qiáng)大的參數(shù)化三維建模能力和高性能的圖形能力,大大節(jié)省了工程師的設(shè)計(jì)時(shí)間。2.1 HFSS天線設(shè)計(jì)流程使用HFSS軟件進(jìn)行天線設(shè)計(jì)的流程如下：（1） 設(shè)置求解類型。使用HFSS進(jìn)行天線設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇模式驅(qū)動(dòng)(Driven Modal)求解類型或者終端驅(qū)動(dòng)(Driven Terminal)求解類型。（2） 創(chuàng)建天線的結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)所要設(shè)計(jì)的天線的初始尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)，在HFSS模型窗口中創(chuàng)建出天線的HFSS參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。另外，HFSS也可以直接

5、導(dǎo)入由AutoCAD等第三方軟件創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)模型。（3） 設(shè)置邊界條件。在HFSS中，與背景相接觸的表面都被默認(rèn)設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界。為了模擬無限大的自由空間，在使用HFSS進(jìn)行天線設(shè)計(jì)時(shí)，必須把與背景相接觸的表面設(shè)置為輻射邊界條件或者理想匹配層(PML)邊界條件，只有這樣HFSS才能計(jì)算天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場。（4） 設(shè)置激勵(lì)方式。天線必須通過傳輸線或者波導(dǎo)傳輸信號，天線與傳輸線或者波導(dǎo)的連接處即為饋電面或者稱為激勵(lì)端口。天線設(shè)計(jì)中饋電面的激勵(lì)方式主要有兩種，分別是波端口激勵(lì)(Wave Port)和集總端口激勵(lì)(Lumped Port)。通常，與背景相接觸的饋電面的激勵(lì)方式使用波端口激勵(lì)，而在模型內(nèi)部

6、的饋電面的激勵(lì)方式使用集總端口激勵(lì)。（5） 設(shè)置求解參數(shù)，包括設(shè)定求解頻率和掃頻參數(shù)。其中，求解頻率通常設(shè)定為天線的中心工作頻率。（6） 運(yùn)行求解分析。上述操作完成后，即創(chuàng)建好天線模型，正確設(shè)置了邊界條件、激勵(lì)方式和求解參數(shù)，即可執(zhí)行求解分析操作命令來運(yùn)行仿真計(jì)算。整個(gè)仿真計(jì)算由HFSS軟件自動(dòng)完成，不需要用戶人為干預(yù)。分析完成后，如果結(jié)果不收斂，則需要重新設(shè)置求解參數(shù)；如果結(jié)果收斂，則說明計(jì)算結(jié)果達(dá)到了設(shè)定的精度要求。（7） 查看求解結(jié)果。求解分析完成后，在數(shù)據(jù)后處理部分查看HFSS分析出的天線的各項(xiàng)性能參數(shù)，如回波損耗S11、電壓駐波比VSWR、輸入阻抗、天線方向圖、軸比和電流分布等。如果

7、仿真計(jì)算的天線性能滿足設(shè)計(jì)要求，那么就完成了天線的仿真設(shè)計(jì)工作，接下來可以著手天線的制作和調(diào)試工作。如果仿真計(jì)算的天線性能未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么還需要使用HFSS的參數(shù)掃描分析功能或者優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，進(jìn)行參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。（8） Optimetrics優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果前面的分析結(jié)果未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么還需要使用Optimetrics模塊的參數(shù)掃描分析功能和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能來優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)尺寸，以找到滿足要求的天線設(shè)計(jì)。2.2 設(shè)計(jì)要求和初始設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)18GHz-26.5GHz最佳增益矩形喇叭，其在22GHz時(shí)的增益需要大于15dB，喇叭天線用WR42矩形波導(dǎo)來饋電，其尺寸為a = 10.668

8、mm,b = 4.318mm,激勵(lì)信號由特性阻抗為50歐姆的同軸線導(dǎo)入。先將增益比有分貝值換成無量綱值，15dB的增益轉(zhuǎn)換成無量綱值約為31.6。22GHz工作頻率對應(yīng)的波長為13.64mm，然后將增益和波長值代入到公式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。 （公式2.1） （公式2.2） （公式2.3）其中?？梢杂?jì)算出=20.79mm。在本設(shè)計(jì)中，波導(dǎo)長度取5/4個(gè)波長。同軸線饋電點(diǎn)位于波導(dǎo)寬邊中心，饋電點(diǎn)和短路板之間的距離為1/4個(gè)波長，同軸線的外導(dǎo)體與波導(dǎo)的側(cè)壁相連接，內(nèi)導(dǎo)體從波導(dǎo)寬邊中心處插入到波導(dǎo)內(nèi)部場強(qiáng)最大處，形成電場激勵(lì)方式。為了方便調(diào)節(jié)喇叭天

9、線模型的物理尺寸，在設(shè)計(jì)中我們需要定義一系列變量來表示天線的尺寸。變量定義以及設(shè)計(jì)的喇叭天線的初始尺寸如表2.1所示。結(jié)構(gòu)名稱變量名 變量值(單位mm)1/4波長length3.41喇叭結(jié)構(gòu)參數(shù)波導(dǎo)寬度a10.668波導(dǎo)高度 b4.318波導(dǎo)長度wlength5*length喇叭口徑寬度35喇叭口徑高度25喇叭長度plength20.79同軸線結(jié)構(gòu)參數(shù)外導(dǎo)體半徑0.06in內(nèi)導(dǎo)體半徑0.025in外導(dǎo)體長度0.3in內(nèi)導(dǎo)體長度0.3in+b/2表2.1 變量定義以及設(shè)計(jì)的喇叭天線的初始尺寸2.3 HFSS天線設(shè)計(jì)(1) 新建設(shè)計(jì)工程(2) 添加和定義設(shè)計(jì)變量從主菜單欄中選擇【HFSS】【Des

10、ign Properties】命令，打開設(shè)計(jì)屬性對話框。添加各個(gè)變量，最后單擊設(shè)計(jì)屬性對話框中的確定按鈕，完成所有變量的定義和添加工作。定義完所有設(shè)計(jì)變量后的設(shè)計(jì)屬性對話框如圖2.2所示。圖2.2 定義完所有設(shè)計(jì)變量后的設(shè)計(jì)屬性對話框（3）設(shè)計(jì)模型第一步：創(chuàng)建喇叭模型，分別在Z=0和Z=Plength的平面上創(chuàng)建大小為a*b，和*的平面，平面的中心都位于Z軸上。然后選中這兩個(gè)平面，執(zhí)行【Modeler】【Surface】【Connect】命令，生成喇叭模型。生成的喇叭模型如圖2.3所示。圖2.3 生成的喇叭模型第二步：創(chuàng)建WR42波導(dǎo)模型，創(chuàng)建一個(gè)長方體模型用以表示W(wǎng)R42波導(dǎo)，該模型與喇叭的

11、底部相接，其長、寬、高分別用前面定義的變量a，b和wlength表示，并將其命名為WR42。創(chuàng)建的矩形喇叭波導(dǎo)雛形如圖2.4所示。圖2.4 創(chuàng)建的矩形喇叭波導(dǎo)雛形第三步：創(chuàng)建同軸饋線，同軸線饋電點(diǎn)放置于波導(dǎo)寬邊中心線上，其與底側(cè)短路板的距離為1/4個(gè)波長，同軸線的外導(dǎo)體與波導(dǎo)的外側(cè)壁相接觸。同軸線的外導(dǎo)體圓半徑為0.06英寸，外導(dǎo)體長度為0.3英寸；同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑為0.025英寸，內(nèi)導(dǎo)體在波導(dǎo)內(nèi)長度為波導(dǎo)窄邊長度的一半，即b/2。本設(shè)計(jì)創(chuàng)建兩個(gè)圓柱體模型，用來表示同軸線的外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體。最終成生的喇叭天線和同軸饋電線如圖2.5所示。圖2.5 最終成生的喇叭天線和同軸饋電線第四步：把喇叭天線的

12、外表面設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界條件，因?yàn)槔忍炀€的各個(gè)壁都是金屬材質(zhì)，所以本設(shè)計(jì)需要把喇叭天線模型外側(cè)表面都設(shè)置成理想導(dǎo)體邊界條件（Perfect E）。其中喇叭的口徑面、同軸線端口面和同軸線內(nèi)表面都不需要設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界條件。第五步：設(shè)置端口激勵(lì)，把同軸線的端口面設(shè)置為負(fù)載阻抗為50歐姆的集總端口激勵(lì)。第六步：設(shè)置輻射邊界條件，使用HFSS分析天線問題時(shí)，需要設(shè)置輻射邊界條件，且輻射邊界表面距離輻射體需要不小于1/4個(gè)工作波長。本設(shè)計(jì)創(chuàng)建一個(gè)長方體模型，該模型的所有表面都設(shè)置為輻射邊界條件。（4）求解設(shè)置天線的中心工作頻率為22GHz，所以求解頻率設(shè)置在22GHz頻點(diǎn)。WR42矩形波導(dǎo)的工作頻段

13、為18GHz-26.5GHz，那么本設(shè)計(jì)的掃頻范圍設(shè)置為18GHz-26.5GHz，掃頻類型設(shè)置為快速掃頻。2.4 設(shè)計(jì)結(jié)果在仿真完成后，利用HFSS的數(shù)據(jù)后處理功能分別查看喇叭天線的以下分析結(jié)果：在工作頻率為22GHz時(shí)，E面和H面上的增益方向圖以及三維增益方向圖，回波損耗S11的掃頻分析結(jié)果。（1） 查看E面和H面上的增益方向圖天線增益即用來衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號的能力 ，是在輸入功率相等 的條件下 ，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度 ，而在水平面上保持全向的輻射性能。E面和H面上的增益方向圖如圖2.6所

14、示。從分析結(jié)果中可以看出，天線的最大增益約為15.85 dB，與本設(shè)計(jì)要求較為吻合。 圖2 .6 E面和H面上的增益方向圖（2） 查看極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖方向圖是表征天線輻射特性 (場強(qiáng) 、振幅、相位 、極化)與空間角度關(guān)系的圖形 。從方向圖可以得到波瓣寬度 ，指天線的輻射圖中低于峰值3 dB 處所成夾角的寬度 。天線的方向性主要由主瓣寬度確定。主瓣寬度愈小，說明天線輻射能量越集中，即接受能力愈強(qiáng) ，定向作用和方向性也越強(qiáng) 。而方向圖中副瓣電平越低 ，表明天線在不需要方向上輻射的能量越弱 ，即在這些方向?qū)﹄s散波的抑制能力更強(qiáng) ，抗干擾性能更優(yōu)越。極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖如圖

15、2.7所示。圖2.7 極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖（3） 查看三維增益方向圖三維增益方向圖如圖2.8所示。圖2.8 三維增益方向圖（4） 查看回波損耗S11掃頻結(jié)果仿真結(jié)束后查看天線信號端口回波損耗(即S11)的掃頻分析結(jié)果如圖2.9所示。圖2.9 回波損耗S11掃頻結(jié)果2.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)對a1、b1和plength參數(shù)進(jìn)行參數(shù)掃描，得到的最符合本設(shè)計(jì)要求的參數(shù)為a1=35.4mm，b1=28.6mm，plength=25.4mm。此時(shí)回波損耗(即S11)的掃頻分析結(jié)果如圖2.10所示。此時(shí)的分析結(jié)果更接近本設(shè)計(jì)的要求。圖2.10 回波損耗S11掃頻結(jié)果不同的參數(shù)對應(yīng)的極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖如圖2.11所示。圖2.11 極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖最符合本設(shè)計(jì)要求的極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖如圖2.12所示。圖2.12 極坐標(biāo)下E面和H面上的增益方向圖3 心得體會由于本科階段，沒有學(xué)習(xí)過HFSS軟件，所以在做這個(gè)課程設(shè)計(jì)的時(shí)候我首先到圖書館借了幾本相關(guān)HFSS設(shè)計(jì)天線的參考書。首先照著上面的例題設(shè)計(jì)喇叭天線，剛開始設(shè)計(jì)的時(shí)候問題不斷地出現(xiàn)，最后經(jīng)過不斷地摸索終于完成了符合技術(shù)指標(biāo)的喇叭天線。在設(shè)計(jì)過程中，出現(xiàn)了一個(gè)大問題，就是設(shè)置輻射邊界條件。輻射邊界表面要距離輻射體不小于1/4個(gè)工作波長，由于沒注意到這個(gè)問題，創(chuàng)建的長方體模型的各個(gè)表