HFSS天线论 NSOFT HFSS天线设计论文 33

Ansoft2004 年用户通讯 105 Ansoft 软件在双极化喇叭天线设计中的应用软件在双极化喇叭天线设计中的应用 刘埇 孙厚君 吕昕 北京理工大学信息科学技术学院 100081 摘要 本文详细阐述了一种双极化喇叭天线 通过 Ansoft 公司提供的电磁场仿真软件 HFSS8 0 和 Optimetrics 对该天线进行的仿真 优化 并与实物测量结果进行了比较 证实对天线的设计和制作 具有良好 可信的指导作用 关键词 双极化喇叭天线 电磁场仿真 HFSS 1 1 引言 引言 喇叭天线是最简单也是最通用的微波天线 喇叭天线的工作类似于声波提供方向性的喇叭筒 它起着由波导模到自由 空间模光滑过渡的作用 喇叭天线具有增益高 电压驻波比低和工作频带宽的特点 并且重量轻 容易制造 是 1GHz 以 上微波波段极为通用的天线 双极化喇叭天线是基于喇叭天线的设计原理 可以发射两个互相垂直的极化电磁波的天线 设计中主要存在的问题是 两个馈源的遮挡以及两个馈源的相互隔离 天线方向图的控制 本文中两个馈源的频率分别为 4 5 5GHz 和 6 7GHz 2 2 设计原理 设计原理 简要介绍喇叭天线特性 喇叭天线口面振幅均匀时 方向性系数为 AD 2 4 当口面振幅为余弦分布时 方向性函数 0 2 4 AD 式中 A 式口面几何面积 是有效面积 0 A 0 A A 为口面利用系数 当振幅余弦分布时 0 81 当口面为矩形 振幅按余弦分布时 口面场分布 1 1 0cos D x EEy 2 dB3 弧度 E 面 0 89 2 D H 面 1 18 1 D FSLL dB E 面 13 2 H 面 23 0 0 81 方向性函数 Partners In Design 106 Ansoft2004 年用户通讯 E 面 2 2 sin H 面 2 1 1 2 1 cos 3 3 天线要求指标 天线要求指标 天线极化方式正交线极化 发射为水平极化 接收为垂直极化 发射频率 6000 7000MHz 接收频率 4500 5000MHz 接收频率 接收频率 4500 5000MHz 天线增益 天线增益 大于 13dBi 驻波比 驻波比 小于 1 3 发射频率 发射频率 6000 7000MHz 天线增益 天线增益 大于 13dBi 驻波比 驻波比 小于 1 3 4 4 仿真过程 仿真过程 第一步 第一步 在 4 5 5GHz 频率下 作天线喇叭口面建模 仿真 建模图如下 第二步 第二步 在 6 7GHz 频率下 作天线喇叭口面建模 仿真 建模图如下 Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 107 第三步 第三步 在 6 7GHz 频率下 波导同轴转换建模 仿真 建模图如下 第四步 第四步 在 4 5 5GHz 频率下 波导同轴转换建模 仿真 建模上右图 第五步 第五步 整体天线的建模 仿真 建模图如下 第六步 结果优化 第六步 结果优化 所有模型的初步仿真 计算后 应用 Optimetrics 软件作进一步的优化 在两个频段内均得到比较理想的驻波曲线 方向图 4 5 5GHz 附近驻波曲线图如下 Partners In Design 108 Ansoft2004 年用户通讯 4 8GHz 方向图如下 H 面方向图 E 面方向图 6 7GHz 附近驻波曲线图如下 6 5GHz 方向图如下 H 面方向图 E 面方向图 由以上图表见仿真结果已达到设计要求指标 5 5 设计要求与实测结果对比及实物照片 设计要求与实测结果对比及实物照片 天线极化方式正交线极化 发射为水平极化 接收为垂直极化 发射频率 6000 7000MHz 接收频率 4500 5000MHz 目标参数目标参数 测量参数测量参数 发射频率发射频率 6000 7000MHz 天线增益天线增益 大于 13dBi 17dBi 驻波比驻波比 小于 1 3 小于 1 3 Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 109 目标参数目标参数 测量参数测量参数 接收频率接收频率 4500 5000MHz 天线增益天线增益 大于 13dBi 16dBi 驻波比驻波比 小于 1 3 小于 1 23 实物照片如下 6 6 讨论 讨论 比较以上仿真结果和实际测试结果 可见两者结果基本吻合 由于在实物的制作过程中加工的工艺等诸多因素 在具 体的测试时还需有手工调试环节 所以 仿真结果同实际测试结果不尽相同 总之 在双极化喇叭天线的设计过程中由于采用了 Ansoft8 0 仿真设计软件使设计任务顺利得以完成