矩形口径喇叭天线设计报告.docx

矩形口径喇叭天线设计报告班级：11050941学号：1105094140姓名：刘毅矩形口径喇叭天线设计报告一、设计原理1、矩形喇叭天线的口面场结构为了说明喇叭天线的口面场结构，可用一个矩形喇叭来说明。图6-5-2画出了一个矩形扇形喇叭天线的场分布图。（1）当矩形波导前端面开口时，也同样能产生电磁辐射，只是因为口面直径太小，按面天线理论，口面积越大，辐射场越强，方向性越好。这样由矩形波导前端面产生的辐射场强将较弱，方向性也相对较差。如果采用开口形状喇叭，口面积相对增大，辐射场也将增强；（2）当矩形波导前端开口时，将造成电磁波在波导内、外的存在空间不同。两个大小不同的空间环境对电磁波呈现的阻抗也不相同，其结果就是电磁波在波导中形成驻波形式，影响能量传输。如把波导开口做成喇叭形状，可以使电磁波由波导传到大空间时有一个渐变过程或过渡过程，这样能减缓阻抗的骤变，使电磁波在波导内传输时的驻波成份减少，有利于提高能量在波导中的传输效率。(2)当矩形波导前端做成喇叭形状，电磁波载波道中的传输效率得到了提高，但由于喇叭和矩形波导形状上的差异，必将导致传到喇叭中电磁波的波阵面成为柱面（与矩形波导对应的喇叭）或球面形状（与圆形波导对应的喇叭）。这样在喇叭口面上形成的口面场Es成为非均匀口面场结构，即在口面上各点Es的相位和振幅大小不再相等，这将造成喇叭天线辐射场方向性变坏2 矩形喇叭天线口面场相位分布特点根据天线辐射场一般表示式，其辐射场最终是由口面场Es决定的。因此对口面场Es的振幅和相位分析，就成为分析喇叭天线的首要问题。以H面扇形喇叭天线为例，并假定激励H面扇形喇叭的巨型波导TE10型波。由于H面扇形喇叭相当于矩形波导宽边x逐渐扩展而成，因此其口面场的相位将随宽边x坐标发生变化，与保持不变的窄边y无关，或者说Esy相位沿窄边y保持均匀分布，如图6-5-3所示。 图中Dx、Dy为H面扇形喇叭天线的口径宽度；Rx、Ry分别为H面和E面扇形喇叭天线的长度；O为喇叭天线的顶点，也叫相位中心，相当于喇叭天线的辐射中心，或者说球面波是由这样的一个虚设点发出的。在图6-5-2和图6-5-3中，把口面场Es=Esy沿宽边x和窄边y的相位关系表示成： 而由于H面扇形喇叭天线的等效长度Rx一般远大于其口面尺寸Dx、Dy，即Rxx，利用幂级数把展开，可得到： （6-5-3） 只保留x2项，得到： （6-5-4） 与此对应的相移量最大值为：（在喇叭口面边沿处） （6-5-5） 这就是说，对H面扇形喇叭天线，其口面场Esy方向虽沿窄边y轴方向，但其相位却沿变化了的宽边x方向发生变化。当设口面中心O为相位零点，在口面x方向边沿位置，口面场Esy具有最大相移量，显然相位随坐标变量成平方率分布。按同样道理，对于E面扇形喇叭天线，由于窄边y逐渐张开，其口面场Esy相位沿y轴方向也一定发生变化，而相位沿宽边x轴却保持不变，用数学式子表示出来就是： （6-5-6）在y轴边沿处相移量最大值。 对楔形角锥喇叭天线，由于宽边x、窄边y同时逐渐张开，在这两个方向上口面场相位也会按平方率变化，用数学式子表示出来就是：与此对应的相位最大值为，相当于沿变化了的宽边x、窄边y均按平方率变化。2.2.1.3 矩形喇叭天线口面场振幅分布对于矩形喇叭天线，可以看成是由矩形波导沿不同边逐渐张开而形成，因此，在矩形喇叭天线中，其口面场相位除随变化边坐标按平方律分布外，振幅总是随宽边x按余弦规律分布。把三种喇叭天线口面场振幅和相位随宽边x和窄边y的分布用数学式子表示出来就是：由此可见，对于和矩形波导连接的楔形喇叭，不管其口面场Es=Esy沿那个边张开形成，其振幅沿窄边y轴方向是均匀的，而沿宽边x方向振幅按余弦规律变化；而相位却随变化的那条边按，平方率变化。正因为喇叭天线口面场分布不均匀，导致喇叭天线辐射场方向性较差，因而它只能作为一般面天线的照射器，而不能作为独立的面天线使用。2.2.2 喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭根据本章第三节的讨论结果，只要把各种喇叭天线口面场分布函数带入口面辐射场一般表示式中，即可得到喇叭天线的辐射场何方向函数。把E面扇形喇叭口面场分布函数代入E面辐射场表示式中，并令参数，其中Dy为y方向口径最大值，可画出E面扇形喇叭天线E面方向图。把H面扇形喇叭口面场分布函数代入H面辐射场表示式中，并令参数，其中Dx为x方向口径最大值，可画出H面扇形喇叭天线H面方向图。 图6-5-4 E面喇叭的E面方向图 图6-5-5 H面喇叭的H面方向图在图6-5-4中，曲线对应等的幅同相位口面辐射场（均匀口面场）的E面方向图。图6-5-5中，曲线对应振幅按余弦同相位口面辐射场H面方向图。由以上两图可见，把s=0和t=0对应的口面辐射场与st不等于0的方向图作比较，其最明显的差别有两点：零点消失，主瓣变宽；过大的口面场相位偏差使不再是最大的辐射方向，而整个喇叭天线的辐射方向图形类似马鞍形。对于喇叭天线，为了获得较好的辐射方向图，使最大辐射方向保持在方向位置上，也就是沿着喇叭天线口面的法线方向，工程上规定E面扇形喇叭口面场的最大相位差不超过，也就是：对于H面扇形喇叭，保持最大辐射在方向上，规定其口面场最大相位偏差为： 这一数值比E面扇形喇叭的限制宽松。这是因为H面扇形喇叭口面场振幅岁呈余弦分布，但在口面边沿位置其振幅绝对值较小，这样即使在该位置有较大的相位偏差，对整个H面扇形喇叭天线辐射场方向性影响仍不会太大。根据面天线方向系数计算式可得到楔形喇叭天线的方向系数为：其中DH与DE分别为H扇形喇叭河E面扇形喇叭的方向系数，它们的大小为： （6-5-15）其中C(u)和S(u)为菲涅尔余弦和正弦积分，即： 而其它参变量为： 图6-5-6和图6-5-7分别画出了H面扇形喇叭天线的方向系数和E面扇形喇叭天线的方向系数随其口径相对尺寸和的关系曲线。为了消除方向系数对口径尺寸和的依从关系，图中纵坐标表示与、与的乘积，只要把从曲线纵坐标中查出的数值乘以和，就可得到不同口径面喇叭天线的方向系数DH与DE数值。图6-5-6 H面扇形喇叭的方向系数 图6-5-7 E面扇形喇叭的方向系数二、软件仿真1、新建设计工程(1)运行HFSS并新建工程启动HFSS软件，另存工程文件。(2)设置求解类型设置当前设计为模式驱动求解类型。(3)设置模型长度单位2、添加和定义设计变量在HFSS中定义和添加如下表所示的实际变量。3、设计建模(1)创建喇叭模型（2）创建WR430波导模型(3)创建同轴馈线创建同轴的外导体创建同轴的外导体(4)布尔操作执行合并操作，将Horn、WR430和Outer3个物体合并成一个完整的物体模型。行相减操作，消除Horn和I