（电磁场与微波技术专业论文）宽频带圆极化喇叭天线分析与设计.pdf

西北i = 业大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文分析并设计了一种能够工作于较宽频带，且具有圆极化性能的喇叭天 线。 由于天线工作频带较宽，故馈电采用加脊矩形波导；天线的极化方式为圆极 化，极化转换器采用圆波导加介质片结构，设计简单，性能较好；在矩形加脊波 导与圆波导间设计矩圆转换器进行过渡，此结构频带宽，阻抗匹配特性好；圆极 化天线采用双扼流环多模喇叭天线，提高了天线的辐射性能。对以上各部分工作 原理进行了分析与研究，并结合天线基本要求进行了初步设计，根据初步设计结 果采用a n s o f r 公司的h f s s 电磁仿真软件进行建模仿真与调试，仿真结果满 足设计要求，与所仿真天线测试数据吻合较好。 仿真与测试结果显示，天线设计与分析方法正确，天线性能参数满足工程应 用要求。 关键词；宽频带，圆极化，扼流环多模馈源，h f s s 两北丁业大学硕士学位论文a b s l l 认c t a b s t r a c t ab r o a d b a n d 柚dc i r c i i l 盯p o l 撕z c d 卸t c 皿ai s 姐a l y z e d 加dd e s i 印e di nt h i s t l l e s i s b e c a u 辩t h e 翘t e 加aw o r l 【si nb r o a d 丘弓q u e n c ym g e ，t h ed o u b l er i d g c d w a v e g l l i d ei su s e d 嬲t h cf 锄t h e 锄t 锄ai sc i r c u l 缸p o l a d z e d ，t h ee q t l i p m e n to f 咖l a rw a v e g i l i d ei o a d e dw 弛d j e l e c 啪cp a t c hi su s c d ，w h i c hh 弱t h ec h a r a c t e r i s t i co f s i l i l p l cd e s i 四卸de x c e l l e n tp e 面咖觚c c at r 缸s “i o n0 fr e c t a n g i i l 折c i r c l l l a rm o d ci s u s e db e t 、e t l l er c c t 锄g u l 盯r i d g c dw a v e g i l i d ea n dc 栅l 盯w a v e g i l i d e ，i ti sc h o s 姐b y r c a s o no ft h eb m a d 缸q u e n c ym g c 锄db e t t e ri i i l p e d 锄c cm a t 洲n gc h a m c t e r i s t i c ；t h e a x i a lm l l l t i l n o d eh 咖o f 咖c h o k c si sa d o p 嘲，w 场c hc 锄i n l p r o v et h ep c r f o 咖觚c e o ft l l e 柚t c 册ar a d i a t i o n 1 n h ep r i n c i p l eo fa l lp a nm e n t i o n e da b o v cj s 锄l y z c d 锄d s t u d i e d ，柚dt i i ei n i t i a ld e s i 班w 鹊f i i i i s h c db 鹊e d t h ep a 舳e t c fr e q u i r e i n e mo ft l l e 卸t e n m n ej l l i t i a ld e s 酒m o d e lw 勰b l l i n 缸ds i i n u l a t c di nt h eh f s ss o f t w a r cw l l i c h i sp u b l i s h e db yt h e a n f tc 0 m p a n y s i m u l a t i 加s u l t ss h o ws i 鲥丘c a n tc 0 璐i s t e n c yw i n lt h em e 弱e m 曲td a t a w h i c h s h o wt h ew a yo fd c s i 弘勰dm e 勰u r 锄e n ta f ea c c 眦l t c k e y w o r d s ：b r o a 曲觚d c i r c u l 盯p o l a r i z a t i ，m u l t i m o d eh o mo fc h o k e s ，h f s s 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属于疆北工业人学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为两北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：i ! l 之基 矽7 年与月f 莎日 f 指导教师签名： 沙c 】7 年；月孔目 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外。本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本入学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：主：l 毖 。了年专月f 拍 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 一切无线电通信、广播、雷达、导航等工程系统都是利用无线电波来进行工 作的，而天线是无线电波的出口和入口，担负着电磁波发射与接收的重任。没有 天线，就不可能建立起任何无线通信的联系。换句话说，天线是一种在自由空间 和导波设备之间的过渡结构。由同轴线、导波器件或传输线输运来自发射源的电 磁能量到天线，或从天线输送电磁能量到接收器。前者为发射天线，后者为接收 天线。 天线的研究可以追溯到1 9 世纪末。1 8 6 4 年，英国科学家m a x w e l l 完整地给 出电磁场满足的方程组，对宏观电磁现象进行了统一而简洁的描述，从此。人们 对电磁场的认识进入了一个崭新的阶段。1 8 9 7 年，德国人h r h e n z 用实验方法 验证了电磁波的存在，他用火花间隙发生器，设计了源与接收装置，形成了最早 期的天线。赫兹实验具有划时代的意义，标志着电磁波的研究进入面向工程应用 的新时代。2 0 世纪以来，特别在第二次世界大战以后，人们对电磁场用于军事和 民用的重要性有了更加深刻的认识，从而在这些领域的研究突飞猛进，这也导致 天线理论与技术研究的新跨越，各种新型、高效的天线如雨后春笋般地开发出来， 极大地提高了工农业生产力、军事战斗力，丰富了人们的科学文化生活，促进了 社会进步。 本论文基于实际工程的需要，要求设计的天线具有宽频带性能、圆极化、且 旁瓣尽可能小等性能。本论文的主要难点是如何在满足天线的驻波比、方向图的 指标要求下，实现天线的宽频带、圆极化的性能要求。 1 1 天线的总体设计 天线的设计要求指标为：工作频率范围为( 7 1 7 ) g h z ；驻波系数( v s w r ) 小 于1 9 ；增益大于7 d b ；轴比小于2 。考虑到了喇叭天线众多的优点，如：频率特性 好，适用于较宽的频带；结构简单，调整容易；旁瓣很小，损耗较小等等，设计 决定采用喇叭天线的方案，天线的总体设计见下图卜1 ，天线必须满足宽频带及圆 极化的设计要求。 两北t 业大学硕士学伊论文第一章绪论 广尹 加脊 矩一圆 圆渡导 矩形波导 模式转换器 喇飘天线 图卜1 天线的总体设计 喇叭天线圆极化的实现可以采用内置介质片极化器、平行金属片极化器、螺 钉极化器和铁氧体极化器等等，其中内置介质片极化器具有结构简单，性能稳定 的优点，故天线的辐射端口设计为圆波导内置介质片极化器，实现圆极化的电性 能。 由于工作系统的频带较宽，故使用了标准的w r d 6 5 0 型加脊的矩形波导作为传 输系统，天线的馈电口为加脊矩形波导，考虑到了下一步圆极化的实现，在天线 的底部，设计成了矩形加脊波导过渡到圆形波导。同时在辐射口径处，使用双扼 流环多模结构，抑制旁瓣电平，展宽了主瓣的宽度。 1 2 喇叭天线的数值分析方法与e d a 仿真软件 喇叭天线的数值分析方法主要是指全波分析中的数值分析方法。传输线理论 和腔模理论通常是对具体的问题进行近似假设，其模型简单，并没有复杂的数值 分析。而全波分析法通常要先利用边界条件得出源分布的积分方程，解出源分布， 再由积分算式来求得总场。由于实际问题的复杂性，积分方程的求解和场积分的 计算一般都要借助数值计算技术来完成。全波分析中的数值分析方法主要包括矩 量法( m o m ) ，有限元法( f e m ) ，时域有限差分法( f 啪) ，而且随计算条 件的不断改善，新的方法也不断涌现。在这些数值分析方法中，矩量法最为常用， 时域有限差分法，有限元法也运用的较为广泛。 微波系统的设计越来越复杂，对电路的指标要求越来越高，电路的功能越来 越多，电路的尺寸要求越做越小，而设计周期却越来越短。传统的设计方法已经 不能满足系统设计的需要，使用微波e d a 软件工具进行微波元器件与微波系统 的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。这些e d a 仿真软件与电磁场的数值 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 解法密切相关的，不同的仿真软件是根据不同的数值分析方法来进行仿真的。但 是软件只能作为一种工具来使用，要想设计出理想的天线，必须对电磁场理论以 及各种物理概念有着很好的掌握。 现在广泛使用的电磁仿真软件很多，主要有：基于矩量法仿真的a d s ( a d v a n 倪d d e s 自驴s y s t 锄) 、s o 衄e t 电磁仿真软件、z c l 锄d 公司的正3 d 和m i c r 0 啪v e o f f i c c ； 基于有限元法仿真的艋m 公司的h 】f s s ；基于时域有限差分法仿真的c s t m l c r o w a v es t u d i o 、f i d e i y 和i n l s te m p i r c 等。本文主要采用了h f s s 对于 设计的天线进行了仿真优化。 1 3 论文的章节安排及主要工作 本论文结合实际工程项目的需要，对宽频带圆极化喇叭天线技术进行研究， 各章节内容安排如下： 第一章简单介绍了天线的发展；根据课题要求的电参数指标，提出了设计思 想，介绍了喇叭天线的总体框图；介绍了几种喇叭天线数值分析方法及基于这些 数值方法的商用电磁仿真软件。 第二章讨论了天线的各项性能参数，包括电路特性和辐射特性；给出了天线 性能参数的公式。 第三章讨论了天线的宽频带、圆极化技术。具体分析了加脊波导的特性；介 绍了介质圆极化器的基本原理，应用极化器散射矩阵( s ) 的旋转变换来研究了极 化器的性能；并且对同轴双环多模馈源作了较深入的理论分析。 第四章针对本课题所研究的内容，给出了圆极化喇叭天线的整个设计过程； 介绍了h f s s 的建模过程，对于原始的设计，进行了仿真优化；给出了天线的仿真 计算结果。 第五章介绍了天线测量的知识，介绍了总体的测量系统；具体对于设计的天 线进行了方向图、增益、轴比以及电压驻波比的测量；给出了测量的方法及结果。 3 西北t 业大学硕士学位论文第二章天线基本理论 第二章天线基本理论 天线是联系自由空间和发射机或接收机的重要设备。为了有效将功率馈送到 天线上或将天线所接收的功率传送到接收设备中去，天线是一个阻抗匹配网络器 件。为了节省发射功率或提高接收系统的信噪比或实现特定方向辐射或接收，天 线还可看成照射或聚焦器件。同时，天线还是一个极化器件，此外天线还可作为 一个扫描器件、一个空间滤波器件、一个数据处理器件等。 2 1 天线基本理论 天线的分类方法很多，可以按用途分，也可以按使用波段分，按主要结构形 式可以分为线天线和面天线两大类。还可以按工作特性来分类，按聚焦特性可以 分为强方向性天线和弱方向性天线，定向和全向天线，按工作频带可以分为宽频 带和窄频带天线。按极化形式，可分为线极化和圆极化天线等。 对不同用途的天线有不同的要求，概括起来，其基本要求如下： 1 一定的方向性； 2 较高的效率； 3 一定的极化形式； 4 一定的频带宽度； 5 其他：例如要求承受一定的功率。此外还有体积小、重量轻、造价低廉、 架设方使、结构可靠等方面的要求。 2 1 1 辐射方向图 天线所辐射的无线电波能量在空间方向上的分布，通常是不均匀的，这就是 天线的方向性。即使最简单的天线，电或磁基本振子也有方向性，完全没有方向 的天线实际上不存在。为了分析、对比方便，假设理想点源是一种无方向性天线， 它所辐射的电磁能量在空间方向上的分布是均匀的。 为了表示天线的方向特性，人们规定了几种方向性电参数，本节讨论辐射方 向图。 天线的辐射方向图( 简称方向图) 是天线的辐射参量随空间方向变化的图形 4 西北工业大学硕士学位论文第二章天线基本理论 表示。所谓辐射参量包括辐射的功率通量密度、场强、相位和极化，在通常情况 下，辐射方向图在远区测定，并表示为空间方向坐标的函数( 称为方向( 图) 函 数) ，实际上，我们最关心的是天线辐射能量的空间分布，在没有特别指明的情况 下，辐射方向图一般均指功率通量密度的空间分布，有时指场强的空间分布。 取坐标系如图2 1 所示，天线位于坐标原点。在距天线等距离( r = 常数) 的 球面上，天线在各点产生的功率通量密度或场强( 电场或磁场) 随空间方向( p ，妒) 的变化曲线，称为功率方向图或场强方向图，它们的数学表示称为功率方向函数 或场强方向函数。 天线在( 一，庐) 方向辐射的电场强度e ( p ，庐) 的大小可以写成 i ( 口，妒) i 一4 ，( 疗，妒) ( 2 - 1 ) 式中4 与方向无关的常数； ，p ，奶场强方向函数。 由式( 2 1 ) 坤，驴) 。里等趔 ( 2 - 2 ) 图2 1 采用的坐标系 5 西北t 业大学硕十学位论文第二章天线基本理论 实际上常用功率通量密度或场强的归一值表示方向图，称为归一化方向图。 设s ( 口，庐) 和e ( p ，驴) 为( 口，庐) 方向的功率通量密度和电场强度，归一化功率方向 图p p ，) 和归一化场强方向图f ( 毋，矿) 为 p p ，矿) 。掣! ( 2 3 ) 6 村 ，( 。与譬牟 ( 2 - 4 ) l _ | ，i 式中& 和分别是功率通量密度和场强的最大值。显然 p ( 口，爹) - ，2 ( 口，庐) ( 2 - 5 ) 在三维坐标中，方向图描绘了一个三维曲面，这样的方向图称为立体方向图 或空间方向图。 立体方向图形象、直观，但画起来复杂。由于这个缘故，天线方向图通常是 用两个互相垂直的主平面内的方向图表示，称为平面方向图。主平面的取法因问 题的不同而异。架设在地面上的线天线，由于地面的影响较大，通常采用水平平 面和铅垂平面做主平面。所谓水平平面是仰角= 常数，与地面垂直的平面，在 此平面内，功率通量密度或场强随方位角妒变化。铅垂平面是方位角庐= 常数，与 地而垂直的平而，在此平面内，功率通量密度或场强随仰角变化。研究超高频 天线，通常采用的两个主平面是e 面和h 面。e 面是最大辐射方向和电场矢量所 在的平面，h 面是最大辐射方向和磁场矢量所在的平面。位于自由空问的电基本 振子，其e 面是通过振子轴的子午平面( 毋= 常数的平面) ，h 面是垂直于振予轴 的赤道平面( 妒一9 0 0 的平面) 。磁基本振子的e 面和h 面与电基本振子的刚好互 换。 绘制方向图可以采用极坐标，也可以采用直角坐标。极坐标方向图形象，直 观，但对方向性很强的天线难于精确表示。直角坐标方向图不如极坐标方向图直 观，但可以精确地表示强方向性天线的方向图。方向图还可以用分贝表示，称为 分贝方向图。分贝方向图为 p p ，妒) ( 扭) 一1 0 l g p 够，) - 2 0 培f p ，力 ( 2 - 6 ) 功率方向图和场强方向图用分贝表示后，便成为一个分贝方向图。它表示某 方向的功率通量密度相对于最大值下降的分贝数。 方向图形状还可用方向图参数简单地定量表示。如果方向图只有一个主波束， 辐射功率的集中程度可用两个主平面内的波瓣宽度来表征。主瓣最大值两侧的两 6 西北工业大学硕十学伊论文第二章天线基本理论 个第一零辐射方向之间的夹角称为零功率波瓣宽度，记为2 巩。和2 岛。，下角杯e 和h 分别表示e 面和h 面。主瓣最大值两侧，功率通量密度下降到最大值的一 半( 或场强下降到最大值的0 7 0 7 ) ，即下降3 分贝的两个方向之问的夹角称为半 功率波瓣宽度，记为2 q 。和2 目如。，如图2 - 2 所示。 主平面方向图除了主瓣之外，通常还有副瓣和后瓣，表征其大小的是副瓣电 平和前后辐射比。所谓副瓣电平，一般是指主瓣旁边第一个副瓣最大值( 通常是 最大的副瓣的最大值) 与主瓣最大值之比的分贝数，记为皇。前后辐射比是主瓣 最大值与后瓣最大值之比的分贝数，记为彘按定义： 岛1 1 0 培璺掣2 0 培晖掣) ( 2 - 7 ) 图2 2 极坐标方向图参数 纠。唔锄俐c 加， 池8 ， 式中：s ( b ，唬) 和e ( 岛，a ) 最大副瓣最大值的功通量密度和电场强度； 西北t 业大学硕十学位论文第二章天线基本理论 咒和只在主瓣最大值方向的反方向的功率通量密度和电场强度。 2 1 2 输入阻抗 天线的输入阻抗是在其输入端呈现的阻抗。输入到天线的功率被输入阻抗所 吸收，并为天线转换成辐射功率，由电路理论，天线的输入阻抗： 弘翥吨惆协” 式中：l 天线的输入电流 r 。天线输入阻抗的实部，称为输入电阻，包括归算于输入电流的损耗 电阻和辐射电阻恐。，即也一+ 恐。 x 天线输入阻抗的虚部，称为输入电抗，即归算于输入电流的辐射电 抗。 输入电阻和输入电抗与功率的关系为： 即翥蓊 。， 即务 天线的输入阻抗决定于天线本身的结构、工作频率，甚至还受周围环境的影 响，仅在极少数情况下能严格她在理论上计算天线的输入阻抗，大多数情况是采 用近似计算法或由实验确定。 计算天线输入阻抗，可用边值法，传输法或玻印廷矢量法。 所谓边值法，是将天线作为电磁场边值问题处理，利用边界条件( 天线理想 导体表面电场的切线分量为零) 求解麦克斯韦方程，锝到天线电流分布，由外加 天线输入端的电动势与输入电流之比求得输入阻抗。这种方法数学上复杂，仅适 用于几何形状规则、导出的波动方程可以分离变量的天线。 传输线法是将天线等效为传输线，利用传输线输入阻抗及有关公式，进行适 当修正，得到天线输入阻抗。这种方法误差较大，但数学计算简单。 玻印廷矢量法计算天线输入阻抗是基于玻印廷定理。将包围天线的封闭面取 得足够大，用远区场的玻印廷矢量沿该面积分，得到实辐射功率，从而得到天线 辐射阻抗的实部辐射电阻。如果封闭面取为天线导体表面，不仅可以计算辐射 g 西北工业大学硕士学位论文第二章天线基本理论 电阻，而且可以计算辐射电抗。这种方法又称为感应电动势法。 对难于计算或不能解析计算的天线输入阻抗，要采用数值方法计算。 2 1 3 天线的效率 对发射天线来说，天线效率用来衡量天线将高频电流或导波能量转换为无线 电波能量的有效程度，是天线的一个重要电参数。天线效率( 即辐射效率) 玑是 天线所辐射的总功率乓与天线从馈线得到的净功率只之比，即 玑一詈 ( 2 _ 1 1 ) 一般而言，天线的输入阻抗不等于馈线的特性阻抗( 天线与馈线不匹配) ，天 线从馈线得到的净功率( 即输入功率) 等于馈线在连接天线处的入射功率与反射 功率之差。这里所说的功率均指实功率。天线的输入功率是辐射功率与损耗功率 之和，即 只- 墨+ 日 ( 2 - 1 2 ) 设心，恐。和蜀分别是归算于输入电流l 的输入电阻、辐射电阻和损耗电阻， 天线效率： 玑等。丧。壶协 旯z 显然，要提高天线效率，应尽可能提高辐射电阻，同时降低损耗电阻。天线 的损耗包括天线系统的热损耗、介质损耗和感应损耗( 在悬挂天线的设备中和大 地中因感应电流而引起的损耗) ，对超短波天线，辐射电阻大，损耗小，效率接近 于1 0 0 。对长、中波天线，由于波长长，f ，a 小，损耗大，效率相当低。短波天 线的效率可以做到比长、中波天线高。长，中波天线或其它电小天线( 电尺寸，a o 区域的横向磁场日+ ( r ) 可用口面上( z = o ) 的电场表示为 日+ 僻) ；z l 【瑶+ v f 】瞳r r e ( r ) g 僻，r 】 ( 3 3 0 ) 口m 呵 式中g 僻皿) = 竺背是自由空间的格林函数，r ，硝分别代表源点和 观察点。 根据波导模式展开理论，波导中的任意场都可以表示为无穷多个正交模的线 性组合，因此，口径面上的横向电场邑僻) 可以展开成不同区域波导正交模的级 数和： 幺一碟 也至曼删， 。3 d 其中0 ，磴是第f 区第弹个模电场和磁场本征函数。碟，d 是第f 区第一个模 电场和磁场模系数。 由式( 3 3 0 ) 、( 3 3 1 ) 可得： 罩q 力联力。去萃；础簖以v r 甥s z ， 其中群= z 田馨g ( r ，) 出 以1 = z p ? 为权函数，