现代天线与雷达课程报告.doc

西 南 交 通 大 学 硕 士 研 究 生 课 程 设 计报 告 现代天线与雷达 Modern Antenna And Radar 年 级:2008级学 号:08111032姓 名:傅海军专 业:电磁场与微波技术E-mail:fuhaijun_指导老师:杨丹 2008年12月28日目录报告1：一种超宽频带双圆锥全向天线的设计11.1双锥天线的模型11.2 HFSS建模与仿真11.3设置边界条件和激励源21.4设置求解项并分析21.5保存并求解工程21.6仿真结果分析4报告2：波导缝隙天线的设计与仿真72.1目的72.2仿真设计步骤：72.2.1优化各缝隙谐振长度72.2.2仿真天线阵152.3结论18报告：3一种三角形天线的HFSS仿真203.1三角形天线各参数的设定203.2三角形偶极天线的建模与仿真203.3仿真结果23报告4：普通角锥喇叭天线设计254.1普通角锥喇叭天线参数设定254.2利用HFSS仿真254.3仿真结果28报告5：三角形圆极化微带天线315.1等边三角形微带贴片天线的几何形状及坐标系如图315.2优化指标及参数的设定315.3HFSS建模与仿真315.4仿真结果分析35报告1：一种超宽频带双圆锥全向天线的设计1.1双锥天线的模型 双锥天线模型尺寸: 锥体尺寸： 锥下半径 down_r 1.5mm 锥上半径 up_r 130mm 锥体高度 hight 45mm 上下锥距 a0 1mm 同轴尺寸： 同轴内半径 r0 0.5mm 同轴外半径 2.3*r0 1.15mm 同轴线长度 length hight+c/f0/4 辅助变量： 中心频率 f0 波速 C 图1-1超宽带双圆锥全向天线外形结构图1.2 HFSS建模与仿真 (1)初始设置a、建立新的工程运行HFSS，点击菜单栏中的Project -Insert HFSS Design,建立一个新的工程。b、设置求解类型在菜单栏中点击HFSS-Solution Type,选择Driven Modal,点击OK.c、设置模型单位将创建模型的单位设置为言之毫米mm.在3D Modeler -Units,在设置窗口栏中选择：mm,点击OK.d、设置模型的默认材料在工具栏中设置模型的下拉菜单中选择aluminum 材料，点击OK按钮确认。(2)创建天线模型a、创建上锥up_cone在菜单栏中点击draw cone，创建锥体，中心位置为（0,0,a0mm/2）,沿Z轴放置，锥上半径尺寸up_rmm，锥下半径尺寸down_rmm,锥体高度hightmm,并命名为up_cone.b、创建下锥down_cone在模型树中选中上锥，点击右键edit-Duplicate-around Axis,出现以话框，设置沿X轴转180deg,点击ok完成双锥建模。模型如图1-2所示图1-2 双锥模型 c、创建同轴线(a) 在菜单栏中点击draw cylinder，创建锥体，中心位置为（0,0,a0mm/2）,沿Z轴放置，同轴内半径尺寸r0mm，同轴内导体长度-（hight+c/f0/4+a0),并命名为pin.(b) 在菜单栏中点击draw cylinder，创建锥体，中心位置为（0,0,-a0mm/2）,沿Z轴放置，同轴内半径尺寸2.3*r0mm，同轴内导体长度-（hight+c/f0/4),并命名为cylinder_1.(c) 在菜单栏中点击draw cylinder，创建锥体，中心位置为（0,0,-a0mm/2）,沿Z轴放置，同轴内半径尺寸down_r，同轴内导体长度-（hight+c/f0/4),并命名为cylinder_2.(d) down_cone与cylinder_2布朗加，再减去cylinder_1。(e) up_cone与pin布朗加。d、创建辐射边界在菜单栏选择draw box，位置为（-up_r,-up_r,-（hight+a0/2+c/f0/4）, X轴尺寸2*(up_r+c/f0/4)，Y轴尺寸2*(up_r+c/f0/4)，Z轴尺寸2*(hight+a0/2+c/f0/4)。e、创建端口port 在菜单栏中点击Draw-Circle,位置是(0,0,-（hight+a0/2+c/f0/4）),半径为2.3*r0,命名为port .1.3设置边界条件和激励源 1、设置激励源端口以面选择方式选择port，右键Assign excitationsassignwave port，如图1-3所示2、 设置辐射边界在模型树中选择air,右键Assign boundaryassignradiation，如图1-4所示。1.4设置求解项并分析 1、添加求解设置 在工程树中找到HFSSDesignlAnalysis点右键Add Solution Setup,弹出对话框，设置如图1-5所示。 2、添加频率扫描 在工程树中找到Analysissetup1点右键，选择Add Sweep,弹出对话框，设置如图1-6所示。1.5保存并求解工程在菜单栏中点击filesave as ，将该工程命名为“双锥天线”，选择路径并保存。整体模型如图1-7所示。 图1-3 端口 图1-4 辐射边界图1-5 求解设置图1-6 扫频设置图1-7 双锥天线的仿真模型1.6仿真结果分析 1、根据要求，双锥天线在0.7-8GHz的驻波比如图1-8所示。 图1-8驻波比随频率的变化关系2、 在4G时的E面和H面方向图如图1-9所示图1-9 4G时E面方向图图1-10 4G时H面方向图 3、根据要求8-12G时的驻波比 图1-11 8-12G驻波比与频率的关系曲线4、 在12G时的E面和H面方向图图1-12 E面方向图 图 1-13 H面方向图报告2：波导缝隙天线的设计与仿真2.1目的利用HFSS设计一种高增益，低副瓣的波导缝隙天线阵。本例中设计了一种16单元缝隙的波导宽边纵向开缝的天线阵。频率为9.375GHZ。2.2仿真设计步骤：2.2.1优化各缝隙谐振长度1.建模缝间距为1/2波导波长。离短路面最近的缝隙，离短路面为1/4波导波长。离馈电端口最近的缝隙，离馈电端1/2波导波长。波导尺寸：22.8610.161mm。缝宽：1.6mm(方缝)。在设计中将用到各变量，可以在设计出即定义各变量，也可以设计中定义各变量。这里在设计初即给出，如下图示：操作：HFSS-Design Proporties；Add；OK.注意：波导波长为44.8mm。操作：Project-Project Variables；OK.（1）操作：Draw-box；OK.尺寸下图所示：材质：PEC（2）操作：Draw-box；OK.尺寸如下：材质：PEC（3）布尔操作操作：在Object树中，Ctrl+单击要选中的上述两个Box；3D Modeler-boolean-Substract；OK.得到如图示：（4）画Slot。操作：(a)3Dmodeler-CordinateSystem-Creat-RelativeCS-Offset；OK.设置如下：（b）Draw-box；OK.尺寸如下：（c）右键选中Slot；Edit-Arrange-Move；OK.设置如下：（d）Crtrl+单击另外一个整体（除Slot外的）+单击选中Slot；3D Modeler-boolean-Substract；OK.（5）画Short Plane。操作：选择GlobalSystem；Draw-box；OK.尺寸如下：操作：3D Modeler-boolean-Unite；OK.得到如图示：(6)设置激励（a）画激励面：Draw-Rectangle；OK.尺寸如下：（b）选中这个Rectangle；右键-Assign Excitations-Wave Port;Intergration Line -NewLine；OK.(7)设置吸收边界(a)Draw-Box；OK.材质为真空。尺寸如下：（吸收边界最好离天线1/4个波长）2.优化（1）操作：HFSS-Result-Output Variables；填入变量名等；Add，OK。设置如下：（2）操作：Optimetrics-Add-Optimazation；OK.设置如下在：操作:Analysis-Add Solution Setup；OK.（3）操作：OptimazationSetup1-Analyze；OK.反复修改下面对话框中的值，可以优化不同偏置下的缝隙的谐振长度。16单元的缝隙的偏置如下图中X变量所示：3.优化结果优化得到前八个缝的谐振长度为：2.2.2仿真天线阵1.建模波导宽边开缝天线阵，天线阵单元数：16。波导尺寸：22.8610.161mm。缝宽：1.6mm(方缝)。波导建立如下模型。缝间距为1/2波导波长。离短路面最近的缝隙，离短路面为1/4波导波长。离馈电端口最近的缝隙，离馈电端1/2波导波长。因此波导总长：8.25波导波长。2仿真操作:Analysis-Add Solution Setup；OK.操作:HFSS-Analyze All；OK.3.查看结果Project树中Radiation，右键-Insert-Far field Setup；OK.设置如下：重复上述操作，设置如下：重复上述操作，设置如下：Project树中，Result-Create report；OK.3D增益方向图：2D增益方向图：H面方向图：9.375GHZ驻波比：2.3结论由2.2.2中3.查看结果，可见该天线阵有高增益，低副瓣的特点。参考文献：1施锦文,丁晓磊,万国宾.矩形波导宽边纵向裂缝的分析, 遥测遥控,2006.11:16-202施锦文.波导裂缝阵列天线的分析与设计硕士论文. 西北工业大学.2007.3:29-31报告3：一种三角形天线的HFSS仿真3.1三角形天线各参数的设定参考文献三角形天线瞬态响应特性的模拟与改进中所提及的三角形天线，其模型如图一所示。在这里采用仿真软件HFSS对其进行仿真，其中各参量的取值在表一中给出： 图一 文献中三角形偶极天线的三维模型三角形天线结构参数变量数值长边边长a51.8mm两短边边长b37mm两短边夹角90度厚度d1mm馈电长方形结构参数变量数值长边边长2*L2mm短边边长S1mm辅助变量变量数值中心频率2（GHz）四分之一波长37.5mm 表一 3.2三角形偶极天线的建模与仿真(1)初始设置 1、建立新的工程 运行HFSS，点击菜单栏中的Project -Insert HFSS Design,建立一个新的工程。 2、设置求解类型 在菜单栏中点击HFSS-Solution Type,选择Driven Modal,点击OK. 3、设置模型单位将创建模型的单位设置为毫米mm.在3D Modeler -Units,在设置窗口栏中选择：mm,点击OK. 4、设置模型的默认材料 在工具栏中设置模型的默认材料为真空：vacuum。(2)创建天线模型 A、在菜单栏中点击draw line，创建三角形，其三个顶点的位置坐标分别为（0,0,0）、（0,37,0）、（37,0,0）。然后点击右键选择edit-sweep-along vector.输入矢量的 坐标(0,38,0)后点击enter键，接着将坐标偏移量设为(0,0,1).将其命名为triangle. B、选中所创建的三角形，点击右键选择edit-arange-rotate。在弹出的对话框中设置沿着x轴旋转90度，点击0k完成设置。接着重复上述旋转操作，在弹出的对话框中设置为沿y轴旋转45度，点击ok完成设置。接着点击右键选择edit-arange-move,将三角形天线沿z轴正向平移1mm.最后点击右键选择edit-duplicate-around alix,在弹出的对话框中设置沿x轴旋转180度，点击OK完成三角形偶极天线的建模,将其材料设置为pec。模型如图二所示。 图 二 三角形偶极天线模型（3）创建馈电结构 在菜单栏中点击draw rectangle,在弹出的对话框中，将position的坐标设置为(-1,0,-1),axis设置为Y轴，Xsize设置为1，Zsize设置为2.将其命名为rectangle. （4）创建辐射边界 在菜单栏选择draw box，位置为（-40，-80，-80）, X轴尺寸80)，Y轴尺寸160，Z轴尺寸160。将其命名为airbox.（5）设置边界条件。选择airbox，单击右键，选择assign boundaryradiation。如图三所示。 图 三 辐射边界 （6）设置端口 选择rectanggle, 在project manager窗口中选择excitationsassignlumped port，如图四所示。 图 四 激励源端口（7）求解设置A、在project manager窗口中选择analysis，单击右键，选择add solution setup，作如图五设置。B、在project manager窗口中选择analysissetup1，单击右键，选择add sweep，作如图六设置。（8）保存工程在菜单栏中点击filesave as ，将该工程命名为“三角形偶极天线”，选择路径并保存。最终的三角形偶极天线模型如图七所示。 图五 求解设置 图六 扫频设置图七 三角形偶极天线的三维仿真模型（9）点击Alalyze all,求解该工程。3.3仿真结果1、中心频率在2GHz的三角形偶极天线的三维辐射方向图如图八所示。图八 三角形偶极天线的三维辐射方向图2、三角形偶极天线在0.83GHz的驻波比如图九所示，从图中可以看出它的驻波比在0.91.2GHz频段小于2，在其它的频带内则大于2小于6. 图九 驻波比随频率的变化关系3、中心频率在2GHz的三角形偶极天线的E面方向图和H面方向图如图十和十一所示，对比可以看出它们与文献中所绘出的E面和H面方向图吻合的很好。 图十 三角形偶极天线的E面方向图 图十一 三角形偶极天线的H面方向图报告4：普通角锥喇叭天线设计4.1普通角锥喇叭天线参数设定参考研究生论文超宽带双脊喇叭天线的研究与设计3-1普通角锥喇叭天线的设计，仿真8-12GHz角锥喇叭天线，中心频率10GHz ，要求G = 100。馈电点位于波导宽边中心，距短路板的距离为四分之一波长，采用特性阻抗为50欧姆的同轴线进行馈电，同轴线的外导体与波导的侧壁电接触，内导体从波导宽边中心处插入到波导内部场强最大处，是电场激励方式。具体参数见表4-1。角锥喇叭天线结构参数变量数值波导宽度a22.86mm波导高度b10.16mm波导长度guidelong9*fl喇叭口径宽度dx131.18mm喇叭口径长度dy107.11mm喇叭长度l157.88mm馈电同轴线结构参数变量数值外导体半径or1.5mm内导体半径ir0.65mm外导体长度5mm5mm内导体长度5mm+b/210.08mm辅助变量变量数值中心频率fre10四分之一波长fl75mm/fre表4-14.2利用HFSS仿真1.建立新的工程运行HFSS10，点击菜单栏ProjectInsert HFSS Design，建立新工程。2.设置求解类型点击菜单栏HFSSSolution Type，在弹出对话框中选择Driven Modal，点击OK。3.设置模型单位点击菜单栏3D ModelerUnits，在对话框中选择：mm，点击OK。4.设置模型的默认材料在工具栏中设置模型的默认材料为真空：vacuum。5.创建角锥喇叭天线模型（1）创建角锥喇叭horn。（a）在菜单栏中点击draw rectangle，创建矩形，位置为（-b/2,-a/2,0mm）,沿Z轴放置，X轴尺寸b，Y轴尺寸a。（b）创建第二个矩形，位置为（-dy/2,-dx/2,l）,沿Z轴放置，X轴尺寸dy，Y轴尺寸dx。（c）同时选择两矩形，在菜单栏中选择3D ModelerSurfaceConnect，形成喇叭，命名为horn。（d）在菜单栏选择draw box，位置为（-b/2,-a/2,0mm）, X轴尺寸b，Y轴尺寸a，Z轴尺寸-guidelong,Box1与horn布朗加。（e）在face选择模式下，同时选择波导与喇叭相接面及喇叭口径面，如图4-1所示，单击右键，选择editsurfaceuncover faces.（2）创建馈电同轴线。（a）创建外导体co，在菜单栏中选择draw cylinder，圆心坐标（b/2,0mm,-guidelong+fl），沿X轴放置，半径or，高5mm。（b）创建内导体ci，圆心坐标（b/2+5mm,0mm,-guidelong+fl），沿X轴放置，半径ir，高-5mm-b/2,材料pec。（c）co与ci布朗减，同时保留ci；horn与ci，co布朗减，同时保留co、ci。（3）创建airbox。在菜单栏选择draw box，位置为（-dy/2-fl,-dx/2-fl,-guidelong-2mm）, X轴尺寸dy+2*fl，Y轴尺寸dx+2*fl，Z轴尺寸guidelong+2mm+l+fl。图4-16.设置边界条件。（1）选择airbox，单击右键，选择assign boundaryradiation。（2）在face选择模式下，选择horn与co面，单击右键，选择assign boundaryperfect E，如图4-2所示。图4-27.设置馈源。选择同轴线端面，在project manager窗口中选择excitationsassignlumped port，如图4-3所示。8.求解设置（1）在project manager窗口中选择analysis，单击右键，选择add solution setup，作如图4-4设置。（2）在project manager窗口中选择analysissetup1，单击右键，选择add sweep，作如图4-5设置。9.保存工程在菜单栏中点击filesave as ，将该工程命名为“普通角锥喇叭天线”，选择路径并保存。10.求解该工程 图4-3 图4-4图4-5图4-64.3仿真结果 按照增益G = 100的要求，同时结合工程实际中对驻波比等电参数的一般要求，所设计的角锥喇叭天线带宽覆盖范围基本满足8一12GHz的带宽要求。图4-7 驻波比随频率的变化关系图4-8 反射系数|S11|随频率的变化关系图4-9 8GHz增益方向图图4-10 10GHz增益方向图图4-11 12GHz增益方向图 报告5：三角形圆极化微带天线5.1等边三角形微带贴片天线的几何形状及坐标系如图 图51 等边三角形微带天线参数对照5.2优化指标及参数的设定参照所给任务中的贴片天线的特性分析及优化，结合所参考的文献圆极化三角形微带天线的研究一文，设计一个三角形微带天线，通过改变馈电点的位置使得馈源和天线匹配并得到圆极化辐射场，参数指标为轴比Insert HFSS Design,建立一个新的工程。 2、设置求解类型 在菜单栏中点击HFSS-Solution Type,选择Driven Modal,点击OK. 3、设置模型单位将创建模型的单位设置为毫米mm.在3D Modeler Units,在设置窗口栏中选择：mm,点击OK.（2）创建天线模型1、创建接地板在菜单栏中点击Draw-Ractangle，起始位置为（-45，-45，0），长度和宽度均为90，沿XY平面平放，命名为groundplane。2、创建介质基片在菜单栏中点击Draw-Box，起始位置为（-22.5，-22.5，0），长度和宽度均为90，高度为0.159,命名为substrate。3、创建等边三角形贴片把贴片建立在介质基片上面，在菜单栏中点击Draw-Line，为了保证等边三角形的边长为10mm，并且有一个顶点在X轴上，分别取点（-5.77，0，0.159）、（2.89，-5，0.159）、（2.89，5，0.159）、（-5.77，0，0.159），得到一个等边三角形贴片,并命名为patch。4、创建同轴线馈电在菜单栏中点击Draw-Cylinder，输入圆柱中心点的坐标（0，$L，0）和圆柱的半径（0，0.1，0），以及圆柱的高度（0，0，0.159），变量$L的初始值设为-5.275，命名为feed。5、创建馈电端口在菜单栏中点击Draw-Circle，输入圆心的坐标（$L，0，0）和半径（0.2，0，0），并命名为port。6、创建air在菜单栏中点击Draw-Box，起始位置为（-80，-80，-35），长度和宽度均为160，高度为70,命名为air。 图52 圆极化三角形微带天线建模模型（3）设置模型材料参数1、设置馈电点材料在绘图历史树中选中feed，点右键选择Assign Material，在弹出的Material窗口中选择copper。2、设置基片材料在绘图历史树中选中substrate，点右键选择Assign Material，在弹出的M