双模圆锥喇叭天线设计

毕业设计（论文）材料之一（1）安徽工程大学2011届本科毕业设计（论文）选题审批表学院名称电气工程学院课题名称双模圆锥喇叭天线设计课题类型设计适用专业通信工程指导教师陈晓辉专业职务讲师核批学生数1课题完成形式论文本课题性质、主要内容及意义专业审查意见专业负责人（签字）2011年1月5日学院审查意见签章2011年1月9日备注说明1、表中“课题类型”是指设计型、论文型。2、本表用钢笔填写或用计算机打印，字迹须清晰。3、本表须报教务处备案。学院留存一份。毕业设计（论文）材料之二（2）本科毕业设计论文开题报告题目双模圆锥喇叭天线设计课题类型设计学生姓名高静学号3070204137专业班级通信071学院电气工程学院指导教师陈晓辉开题时间2011年3月10日2011年3月10日指导教师意见方案尚可，计划可行，同意开题。签名2011年3月10日教研室意见同意开题教研室主任（签章）2011年3月10日评审小组意见同意开题参加评审人员（签字）2011年3月10日毕业设计（论文）材料之三（3）安徽工程大学2011届本科毕业设计（论文）答辩记录表学院名称电气工程学院2011年6月21日姓名高静专业班级通信071学号3070204137指导教师陈晓辉课题题目双模圆锥喇叭天线设计教师提问学生答辩情况记录答辩小组教师签名备注1、纸不够时可另附纸；2、此表一式两份，一份学院留存，一份装进学生毕业设计（论文）袋。安徽工程大学2011届毕业设计（论文）成绩评定表学院电气工程学院学生姓名高静专业班级通信071学号3070204137课题名称双模圆锥喇叭天线设计指导教师评语（不少于100字）评定成绩（满分30分）是否同意答辩指导教师（签名）评阅教师评语评定成绩（满分30分）是否同意答辩评阅教师（签名）答辩小组评语评定成绩（满分40分）答辩组长（签名）毕业设计（论文）成绩及等级成绩等级院长（签名）日期2011年6月23日说明1、表格一式两份，一份学院留存，一份装入学生毕业设计（论文）袋。2、评阅教师为一人。毕业设计（论文）材料之二（1）安徽工程大学本科毕业设计（论文）专业通信工程题目双模圆锥喇叭天线设计作者姓名高静导师及职称陈晓辉讲师导师所在单位安徽工程大学2011年6月15日安徽工程大学本科毕业设计（论文）任务书2011届电气工程学院通信工程专业学生姓名高静毕业设计（论文）题目中文双模圆锥喇叭天线设计英文DESIGNOFDUALMODECONICALHORNANTENNA原始资料毕业设计（论文）任务内容1、课题研究的意义2、本课题研究的主要内容3、提交的成果（1）毕业设计（论文）正文；（2）至少一篇引用的外文文献及其译文；（3）附不少于10篇主要参考文献的题录及摘要。指导教师（签字）教研室主任（签字）批准日期2011年1月5日接受任务书日期2011年1月9日完成日期2011年6月15日接受任务书学生（签字）安徽工程大学毕业设计（论文）I双模圆锥喇叭天线设计摘要天线是对任何无线电通信系统都很重要的器件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。天线可分为简单线天线，行波天线，非频变天线，缝隙天线与微带天线，面天线和智能天线等。双模圆锥喇叭天线属于面天线。本文首先介绍了天线的基础知识和基本参数,接着就馈源天线中有关本设计主题的内容进行了介绍，其中着重介绍了喇叭天线。在此基础上，进行了双模圆锥喇叭天线的设计，最后在软件HFSS中进行了仿真。本文对双模圆锥喇叭天线的设计提供了一定的作用。关键词圆锥喇叭天线双模HFSS高静双模圆锥喇叭天线设计IIDESIGNOFDUALMODECONICALHORNANTENNAABSTRACTANTENNAWIREISTHEIMPORTPARTOFANYRADIOCOMMUNICATIONSYSTEMS，THEQUALITYOFANTENNACANAFFECTTHEWHOLEQUALITYOFRADIOCOMMUNICATIONSYSTEMSANTENNACANBEDIVIDEDINTOSIMPLEWIREANTENNA，TRAVELINGWAVEANTENNA，FREQUENCEINDEPENDENTANTENNA，SLOTANTENNAANDMICROSTRIPANTENNA，APERTUREANTENNA，SMARTANTENNAANDSOONDUALMODECONEHORNANTENNAISONEOFTHEAPERTUREANTENNAINTHISPAPER,BASICKNOWLEDGEANDBASICPARAMETERSAREPRESENTEDFIRSTLYTHENINTRODUCETHEANTENNAFEEDLINE,ESPECIALLYTHEHORNANTENNABEEMPHASIZEDINTHEBASEOFABOVE,WEDESIGNTHEDUALMODECONEHORNANTENNAATLAST,WESIMULATETHEPROJECTINHFSSTHISPAPERPROVIDESTHEREFERENCETODUALMODECONEHORNANTENNAKEYWORDSCONICHORNANTENNADOUBLEMODEHFSS安徽工程大学毕业设计（论文）III目录引言1第1章概述211天线2111天线的发展与意义2112喇叭天线的发展和意义312天线的基础知识3121天线的功能3122天线的原理4123方向系数4124天线效率5125增益系数6126驻波比6127天线的等化特性7128天线的轴比7129天线的辐射7第2章常见的馈源天线921馈源922喇叭天线923圆锥喇叭1124高效率馈源13241多模喇叭13242其他高效率馈源15第3章双模圆锥喇叭天线的设计1731双模圆锥天线17311天线的设计1732双模圆锥喇叭天线的仿真19321双模圆锥喇叭天线的仿真步骤19322仿真结果26结论与展望28致谢29参考文献30附录A外文文献及其译文31附录B主要参考文献的题录及摘要35高静双模圆锥喇叭天线设计IV插图清单图11通信系统示意图2图12半波对称阵子天线4图13天线与馈线的匹配6图21普通喇叭天线10图22图22E面喇叭方向系数10图23图23H面喇叭方向系数11图24圆锥喇叭12图25圆锥喇叭的方向系数12图26高效率馈源举例13图27多模喇叭结构示意图14图28双模圆锥喇叭15图29双模圆锥喇叭的口径场15图210圆锥波纹喇叭俯视图16图211混合模介质加载圆锥喇叭16图31双模圆锥喇叭天线18图32双模圆锥喇叭天线模型19图33设置模型单位20图34设置默认材料20图35分析结果25图36查看收敛25图37远场增益26图38轴比信息27图39驻波比信息栏27安徽工程大学毕业设计（论文）V表格清单表31双模圆锥喇叭的结构参数值17安徽工程大学毕业设计（论文）1引言天线是在无线电收发系统中，向空间辐射或从空间接收电磁波的装置。是无线电通信系统中必不可少的部分。由于各种设备要求采用的波段不同，天线的设计也就不同，不同用途的天线需要设计成各种样式，就是我们通常称的天线程式。如在长、中、短波段，一般用导线构成天线，有T形、倒L形、环形、菱形、鱼骨形、笼形天线等。在微波波段，用金属板或网制成喇叭天线，抛物面天线，金属面上开槽的裂缝天线，金属或介质条排成的透镜天线等。波导开口面逐渐增大形成的喇叭天线,由于其具有较好的方向性和自由空间匹配性,在无线通信,雷达等领域得到广泛的应用。喇叭既可以做各种复杂天线的馈源,也能够直接作天线使用。喇叭天线就外形特性来说,有方形口径喇叭和圆形口径喇叭。方形口径喇叭天线辐射椭圆波束,从辐射方向图的圆对称性和圆极化工作性能方面都不如圆形口径喇叭天线。圆形口径喇叭有单模喇叭,多模喇叭和平衡混合模喇叭。单模喇叭的典型代表就是光壁圆锥喇叭天线,光壁圆锥喇叭结构简单且具有良好的辐射特性,因此在大型阵列天线中使用非常广泛。近年来圆锥喇叭天线的理论和实验研究发展比较迅速,出现了多种改进形式包括多模圆锥喇叭、波纹喇叭、变张角喇叭和介质加载喇叭等。矩形喇叭天线是由载主模（TE10模）的矩形波导扩展而成的，如波导的宽壁尺寸扩展而窄壁保持不变，称为H面扇形喇叭；若波导的窄壁尺寸扩展而宽壁保持不变，则称为E面扇形喇叭。主模喇叭E面和H面的波瓣不等化，相位中心不重合，交叉极化大，并且E面的副瓣电平较高。主模喇叭E面和H面方向图之所以不对称，是由于口径电场在H面内变化大，在E面内变化小或几乎不变。引入适当的高次模，使口径场在两个面内的分布规律近似相同，从而使两个主平面方向图近似相等。一般仅需要一个附加模，称为双模喇叭。高静双模圆锥喇叭天线设计2第1章概述11天线天线是任何无线电通信系统都离不开的重要前段器件。尽管设备的任务并不相同，但天线在其中所起的作用基本上是相同的。在图11所示的通信系统示意图中，天线的任务是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或将空间电波信号转换成高频电流能量送给接收机。为了能良好地实现上述目的，要求天线具有一定的方向特性，较高的转换效率，能满足系统正常工作的频带宽度。天线作为无线电系统中不可缺少且非常重要的部件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。图11通信系统示意图无线通信的技术及业务的迅速发展既对天线提出许多新的研究方向，同时也促使了许多新型天线的诞生。例如多频多极化的微带天线，电扫描和多波束天线，自适应天线和智能天线。天线按照用途的不同，可将天线分为通信天线，广播和电视天线，雷达天线，导航和测向天线等；按照工作波长，可将天线分为长波天线，中波天线，短波天线以及微波天线等为了理论分析的方便，通常将天线按照其结构分成两大类一类是由导线或金属棒构成的线天线，主要用于长波，短波和超短波；另一类是由金属面或介质面构成的面天线，主要用于微波波段。面天线的种类很多，常见的有喇叭天线，抛物面天线，卡塞格伦天线。这类天线所载的电流是分布在金属面上的，而金属面的口径尺寸远大于工作波长。面天线在雷达，导航，卫星通信以及射电天文和气象等无线电技术设备中获得了广泛的应用。喇叭天线是最广泛使用的微波天线之一。111天线的发展与意义自赫兹和马可尼发明了天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，如今成为人们不可或缺之物。赫兹在1886年建立了第一个天线系统，他当时装配的设备如今可描述为工作在米波波长的完整无线电系统，采用终端加载的偶极子作为发射天线，谐振环作为接收天线。1895年5月7日俄罗斯科学家亚历山大利用电磁波送出第一个信号到30英里外的海军舰艇上。1901年12月中旬，马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路，为较长的波长配置了大的天线和接地系统，并在纽芬兰的圣约翰斯接收到发自英格兰波尔多的无线电信号。一年后，马可尼便开始了正规的无线电通信服务。在20世纪初叶，由于“共和国号”和“泰坦尼克号”海难事件，马可尼的发明戏剧性地表现出在海事上安徽工程大学毕业设计（论文）3的价值。因为在无线电问世之前，船舶在海上是完全孤立的，当灾难来袭时，即使是岸上或邻近船舶上的人也无法给予提醒。随着第二次世界大战期间雷达的出现，厘米波得以普及，无线电频谱才得到了更为充分地利用。如今，数以千计的通信卫星正负载着天线运行于不同的轨道中，犹如土星的光环围绕土星那样围绕着地球；手持的全球定位卫星接收机能够为任何地面或空中的用户不分昼夜晴雨地提供经度、纬度和高度信息，其精确程度达到厘米级；载有天线阵的探测器在地面系统的指挥下已经访问了太阳系的其他行星；飞机和船舶随身携带的天线为其提供了必不可少的通信系统；移动电话借助于天线为人们提供任何地点和任何人的通信随着人类活动向太空扩展，对天线的需求也将增长到史无前例的程度，天线将在未来的生活中担任着越来越重要的角色。112喇叭天线的发展和意义由于通讯领域技术的高速发展，人们越来越需要具有相当好性能的天馈系统。天线作为一种接收和发射无线电波的设备，是整个系统中的一个关键部件。反射面天线在通信，雷达和射电天文等方面有着其他天线所不具有的独特的优点，得到广泛的应用。喇叭天线作为整个反射面天线的馈源或者直接辐射器，直接影响着整个反射面系统性能的好坏。在微波波段，采用各种波导传输电磁波能量，常用的波导是矩形和圆形截面波导，也有用椭圆形截面波导的。随后人们发现终端开口的波导也可以向外辐射电磁波，于是就有了波导终端开口构成的波导辐射器，这种馈源是传输线波导的自然发展。后来为了改善方向性，压窄方向图和获得较高的增益，需要增大波导辐射器的口径面积。将波导终端做成逐渐张开的形状，这就是喇叭天线。普通喇叭的方向图在各个平面内是不相同的，两个主平面内相位中心也不重合。喇叭作为反射面天线馈源时，要求它有确定的相位中心和接近圆对称的初级方向图，这样，旋转对称的反射面天线，可以获得接近圆对称的次级方向图，具有良好的电性能。而利用高次模和主模相结合的多模喇叭和在喇叭内壁开槽的波纹喇叭，辐射方向图可以做到圆对称，且工作频带宽。这两种形式的喇叭，副瓣电平低，交叉极化分量小，相位特性良好。用它们作馈源，可使反射面天线效率提高到7580。12天线的基础知识描述天线工作特性的参数称为天线电参数，又称电指标。他们是定量衡量天线性能的尺度。我们需要了解天线电参数。大多数天线电参数是针对发射状态规定的，以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及定向辐射的能力。121天线的功能天线在无线电设备中的主要功能有两个第一个是能力转换功能，第二个是定向辐射（或接收）功能。能量转换功能是指导行波与自由空间波之间的转换，发射天线是将馈线引导的电磁波（高频电流）转换为向空间辐射的电磁波传向远方，接收天线是将空间的电磁波转换为馈线引导的电磁波（高频电流）送给接收机。定向作用是指天线辐射或接收电磁波具有一定的方向性，根据无线电系统设备的要求，发射天线可把电磁波能量集中在一定方向辐射出去，接收天线可只接收待定方向传来的电磁波。可以看出，发射天线与接收天线之间的关系类似于发电机与电动机之间的关系，前者是在导行波与自由空间波之间往返变换，后者则在机械电与电能之间往返变换，这种高静双模圆锥喇叭天线设计4相似性表明收，发天线之间存在着一定的可逆性。122天线的原理当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场。按电磁场在空间的分布特性，可分为近区，中间区，远区。设R为空间一点距导体的距离，在R/2时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流,电压有紧密的联系。在R/2的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流，电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。发射天线正是利用辐射场的这种性质，使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射。在平行双线的传输线上为了使只有能量的传输而没有辐射，必须保证两线结构对称，线上对应点电流大小和方向相反，且两线间的距离。要使电磁场能有效地辐射出去，就必须破坏传输线的这种对称性，如采用把二导体成一定的角度分开，或是将其中一边去掉等方法，都能使导体对称性破坏而产生辐射。如图12，图中将开路传输或距离终端/4处的导体成直状分开，此时终端导体上的电流已不是反相而是同相了，从而使该段导体在空间点的辐射场同相迭加，构成一个有效的辐射系统。这就是最简单，最基本的单元天线，称为半波对称振子天线，其特性阻抗为75。电磁波从发射天线辐射出来以后，向四面传播出去，若电磁波传播的方向上放一对称振子，则在电磁波的作用下，天线振子上就会产生感应电动势。如此时天线与接收设备相连，则在接收设备输入端就会产生高频电流。这样天线就起着接收作用并将电磁波转化为高频电流，也就是说此时天线起着接收天线的作用，接收效果的好坏除了电波的强弱外还取决于天线的方向性和半边对称振子与接收设备的匹配。图12半波对称阵子天线123方向系数方向系数是能定量的表示天线定向辐射能力的电参数。它的定义为在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度SMAX和无方向性天线的辐射功率密度SO之比，记为D。EOESOSD22MAXMAX11在最大辐射方向上EMAXRDPR6012上式表明，天线的辐射场与PRD的平方根成正比，所以对于不同的天线，若它们的安徽工程大学毕业设计（论文）5辐射功率相同，则在同是最大辐射方向且同一R处的观察点，辐射场之比为2MAX1MAXEE21DD13若要求他们在同一R处观察点辐射场相等，则要求122PR1PRDD14即所需要的辐射功率与方向系数成反比。方向系数的最终计算公式为D0220,4DDSINF15显然，方向系数与辐射功率在全空间的分布状态有关，要使天线的方向系数大，不仅要求主瓣窄，而且要求全空间的副瓣电平小。124天线效率一般来说，载有高频电流的天线导体及其绝缘介质都会产生损耗，因此输入天线的实功率并不能全部转换成电磁波能量。可以用天线效率来表示这种能量转换的有效程度。天线效率定义为天线辐射功率PR与输入功率PIN之比，记为A，即PINAPR16辐射功率与辐射电阻之间的联系公式为PRIRR,依据电场强度与方向函数的联系公式,60,FRIE17则辐射电阻的一般表达式为DDRRFSIN,30022018则方向系数与辐射电阻之间的联系为RRDF2MAX12019类似于辐射功率和辐射电阻之间的关系，也可将损耗功率PL与损耗电阻RL联系起来，即PL21IRL110RL是归算于电流I的损耗电阻，这样RLRRRRPLAPRPR111注意，上式中RR，RL应归算于同一电流。一般来讲，损耗电阻的计算是比较困难的，由上式可以看出，若要提高天线效率，必须尽可能的减小损耗电阻和提高辐射电阻。高静双模圆锥喇叭天线设计6125增益系数方向系数只是衡量天线定向辐射特性的参数，它只决定于方向图；天线效率则表示了天线在能量上的转换效能；而增益系数则表示了天线的定向收益程度。增益系数的定义是在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度SMAX和理想无方向性天线的辐射功率密度SO之比，记为G。用公式表示如下EEOSOSG22MAXMAX112在有效情况下，功率密度为无耗时的A倍，则GAD113由此可见，增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积。由于发射机的输出功率是有限的，因此在通信系统的设计中，对提高天线的增益常常抱有很大希望。频率越高的天线越容易得到很高的增益。126驻波比我们先来了解一下什么叫驻波。当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。电压驻波比（VSWR）是射频技术中最常用的参数，用来衡量部件之间的匹配是否良好。要使天线辐射效率高，就必须使天线与馈线良好的匹配，也就是天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率，如图13所示图13天线与馈线的匹配设天线输入端的反射系数为（或散射参数），则天线的电压驻波比为设天线输入端的反射系数为（或散射参数），则天线的电压驻波比为安徽工程大学毕业设计（论文）7VSWR11114回波损耗为LG20LR115输入阻抗为11ZOZIN116当反射系数0时，VSWR1，此时ZOZIN，天线与馈线匹配，这意味着输入端功率均被送到天线上，即天线得到最大功率。127天线的等化特性天线方向图等化通常称天线的等化性，是天线的工程设计的一个具体指标要求。意指天线方向图相对于波束轴向的对称程度，不仅仅限于方向图在E面和在H面的相吻合，但一般在E面和H面测试，如测试天线的E面和H面的3DB、10DB、20DB的波束宽度是否相等。一般是用于照射圆形反射面的馈源有此要求。天线方向图等化是可以根据口面的场分布设计出来的，如矩形波导馈电的角锥喇叭适当减小E面尺寸可实现天线方向图的等化，而圆形波导馈电的圆锥喇叭等化性就很好。128天线的轴比任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹为一椭圆，椭圆的长轴2A和短轴2B之比称之为轴比ARAXIALRATIO轴比是圆极化天线的一个重要的性能指标，它代表圆极化的纯度，轴比不大于3DB的带宽，定义为天线的圆极化带宽轴比从理论上的确是针对椭圆极化而言的，圆极化天线从理论上讲是不存在轴比的问题的，但是在天线设计和加工等方面，我们无论在设计，还是在加工等工艺条件下，都不可能实现真正的圆极化，及轴比AR1，通俗的说就是半径处处相等，圆极化是椭圆极化的特例，也就是AR1，因为上面的因素，使我们必须正视圆极化的轴比的问题，也正因为此，才存在轴比的问题，一般工程上要求轴比AR小于3DB即可，要求高一点的可以是2DB甚至1DB。129天线的辐射天线辐射球面波在以天线为核心的坐标系统的径向方向上传播。在大的距离上，球面波可以近似平面波。平面波是有用的，因为他们把问题简化了。他们不是自然的，然而，因为它们需要无限的功率。该玻印廷矢量描述两个方向的传播和功率密度的电磁波。这是从矢量穿过产生的电场和磁场中发现的，并标注为SSEHW/2M117均方根（RMS）值是用来表达场的重要性。H是复杂的共轭的磁场相。磁场在远区场上是与电场成正比的。比例常数是，自由空间中的阻抗376732ESSW/2M118因为玻印廷矢量是两个场的矢量的产物，这是正交的两个场以及三重定义了一个右手坐标系统E,H,S。高静双模圆锥喇叭天线设计8考虑一对以天线为核心的同心球形。靠近天线的场减少为1/R,1/2R,1/3R等等。恒指定的条件将要求功率辐射与辐距离和将不会被保存的功率一起增长。场方面的比例1/2R,1/3R更高，功率密度随距离减少，比面积增加的速度快。在球形里面的能源大于在球形外部的能量。这些能量不辐射，但是代替集中在天线周围，它们是近区场的条件。只有1/2R条件的玻印廷矢量（1/R场的条件）所代表的辐射功率，因为该球形的面积的增长为2R，并给出了一个常数的积。所有辐射功率流经内部球体将传播到球形的外部。符号的输入抗依赖于近区场的场类型的优势电气（电容式）或磁场（电感）。在共振（零抗）上储存的能量是平等的，因为是近区场。存储场的增多增加了电路的Q和缩小阻抗带宽。从天线到目前为止，我们只考虑辐射的场和功率密度。功率流是相同的通过同心的球形2211,22,44AVGAVGRSRS119平均功率密度是成正比于1/2R的。考虑在同一坐标的角度上的两个球形的面积的差异。天线的辐射，只有在径向方向因此，没有功率可能在或方向上游走的。功率在面积中的通量管上游走，并如下，不仅平均坡印亭矢量，而且功率密度的每个部分都是与1/2R成正比的221122SINSINSRDDSRDD120自从在一个辐射波S是成正比于1/2R的之后，E是成正比于1/R。界定辐射强度以此来消除1/2R的依赖是很方便的U,SR,2RW/SOLIDANGLE121辐射强度，只取决于辐射的方向和在所有的距离上保持不变。一探针天线测量相对辐射强度（方向图）是通过在天线的周围移动轨迹在一个圆圈（常数R）上。当然很多时候天线在旋转而且探头是固定的。一些方向图已经建立了名称。方向图随着球面坐标系的常数角度就叫做锥形（常数）或大圈（常数）。大圈削减当0或90是主要的平面方向图。其他命名削减也使用，但他们的名字取决于特定的测量定位，而且它是必要的注释，这些方向图小心地在人们对不同定位器的测量方式之间去避免造成混乱。方向图通过采用3个规模来衡量的（1）线性（功率），（2）平方根（磁场强度），及（3）分贝（DB）。该分贝的规模是最常用的，因为它揭示了更多的低层次的反应（旁瓣）。安徽工程大学毕业设计（论文）9第2章常见的馈源天线21馈源馈源是反射面天线或透镜天线等天线的一个重要组成部分。它的作用是将来自馈线的射频功率以电磁波的形式向反射面或透镜等辐射，使其在口径上产生合适的场分布，以形成所需的锐波束或赋形波束；同时使由反射面或透镜等边缘外漏溢的功率尽量小，以期实现尽量高的增益。常用的馈源型式除了喇叭天线外，还有带反射圆盘的振子、缝隙天线、螺旋天线、对数周期天线和返射天线等。60年代以来，随着卫星通信、雷达和射电天文等技术的发展，出现了许多高效率馈源。这类馈源具有轴对称的振幅和相位方向图和低旁瓣（在25甚至30分贝以下），从而使采用它的反射面天线等实现高增益、低噪声和纯极化。这类新型馈源有多模喇叭、介质环或介质棒加载喇叭、波纹喇叭，以及综合运用上述技术的复合式多模喇叭等。一些特殊用途的天线对馈源还有特殊的要求。这时馈源往往连同传输线元件一起组成具有特定功能的馈源系统，例如单脉冲馈源系统，多波束馈源系统，频率扫描馈源系统，频谱复用馈源系统和多频共用馈源系统等。22喇叭天线在微波波段，采用各种波导传输电磁波能量。常用的波导是矩形和圆形波导。将波导终端开口构成波导辐射器。为了改善方向性，压窄方向图和获得较高的增益，需要增大波导辐射器的口径面积。将波导终端做成逐渐张开的形状，这就是喇叭天线。喇叭天线是最广泛使用的微波天线之一。喇叭天线除了大量用做反射面天线的馈源以外，也是相控阵天线的常用单元天线，还可以用做对其他高增益天线进行校准和增益测试的通用标准。它的优点是具有结构简单，馈电简便，频带较宽，功率容量大和高增益的整体性能。喇叭天线由逐渐张开的波导构成。如图21所示，逐渐张开的过渡段既可以保证波导与空间的良好匹配，又可以获得较大的口径尺寸，以加强辐射的方向性。喇叭天线根据口径的形状可分为矩形喇叭天线和圆形喇叭天线等。图21中，图（A）保持了矩形波导的窄边尺寸不变，逐渐展开宽边而得到H面扇形喇叭；图（B）保持了矩形波导的宽边尺寸不变，逐渐展开宽边而得到E面扇形喇叭；图（C）为矩形波导的宽边与窄边同时展开而得到角锥喇叭；图（D）为圆波导逐渐展开形成的圆锥喇叭。由于喇叭天线是反射面天线的常用馈源，它的性能直接影响反射面天线的整体性能，因此喇叭天线还有很多其他的改进型。高静双模圆锥喇叭天线设计10图21普通喇叭天线喇叭天线的方向系数可以根据式SSSYXYXEYDXDYXEDDSSYSSSSSSYV,2221数值计算出。图22和23分别计算了E面和H面喇叭的方向系数。图22图22E面喇叭方向系数安徽工程大学毕业设计（论文）11图23图23H面喇叭方向系数从图中可以看出,在喇叭长度一定的条件下，起初增大口径尺寸可以增大口径面积，进而增大了方向系数，但是当口径尺寸增大到超过某定值后，继续再增大口径尺寸，方向系数反而减小。这表明扇形喇叭存在着最佳喇叭尺寸LE,BHOPTLH,AHOPT，对于此尺寸，可以得到最大的方向系数。实际上，最佳尺寸即为E面和H面分别允许的最大相差尺寸22满足最佳尺寸的喇叭称为最佳喇叭。23圆锥喇叭圆锥喇叭一般采用圆波导馈电，描述圆锥喇叭的尺寸有口径直径D，喇叭长度R。圆锥喇叭的口径场的振幅分布与圆波导中的TE11相同，但是相位按平方律沿半径方向变化。图25计算了不同轴向长度圆锥喇叭的方向系数与口径直径的关系。从图中可以看出，圆锥喇叭仍然存在着最佳尺寸。与矩形喇叭类似，当轴向长度一定时，增大口径尺寸的效果将以增大口径面积为优势逐渐地转向以平方相位偏移为优势。最佳圆锥喇叭的主瓣宽度与方向系数可以由以下公式近似计算高静双模圆锥喇叭天线设计1223图24圆锥喇叭图25圆锥喇叭的方向系数安徽工程大学毕业设计（论文）13在增益最大值图中虚线处，可归纳出R与D的近似关系150422DROP2424高效率馈源图26高效率馈源举例241多模喇叭主模喇叭E面的主瓣宽度比H面窄，E面的副瓣高，E面的相位特性和H面的相位特性又很不相同。因此用主模喇叭作为反射面天线的馈源，使天线的效率提高受到限制。为了提高天线口径的面积利用系数，就必须设法给主反射器提供等幅同相且轴向对称的方向图，即所谓的等化方向图。多模喇叭就是应此要求而设计的，它利用不连续截面激励起的数个幅度及相位来配置适当的高次模，使喇叭口径面上合成的E面及H面的相位特性基本相同，从而获得等化和低副瓣的方向图，使之成为反射面天线的高效率馈源。多模喇叭可以由圆锥喇叭和角锥喇叭演变而成，但一般都采用圆锥喇叭，利用锥角和半径的变化以产生所需要的高次模。多模喇叭天线设计主要考虑以下两大部分第一部分是高次模激励结构它包括变张角圆锥系统，半径跃变的圆柱系统和半径张角同时跃变的圆锥系统；第二部分是移相段，它包括圆锥移相段和直波移相段等。图27就是由变张角圆锥系统AA、CC和直波导移相段AB，圆锥移相段BC组成的多模喇叭。麦克斯韦方程的普遍性，波导内传输的波必然可以表示为TE模和TM模的无穷级数之和（工程中一般只须取有限几个模式），以直角坐标系为例，即高静双模圆锥喇叭天线设计14,000000ZYXZZYXZYXYZYXZYXXZYXEFFBFFBFFAFFBFFAEEXMNXMNEEYYMNHHYMNYMNEEXXMNHHXMNXMN25图27多模喇叭结构示意图在25式中AXMN和BXMN等是TE模和TM模的振幅系数；二元函数,YXFHX和,YXFEX等为标准化的横向分布函数。上标H和E表示TEMN和TMMN模，角标X,Y,Z表示沿该坐标方向的分量；一元函数ZFH表示沿Z向的传播。通常，EXPEXPZJZJZAAFHMNHMNHMNH26其中AHMN为TEMN模的传播常数，HMN为TEMN模的反射系数；ZFE的情况类似。当某一个缺少某个分量时，可认为相应的横向分布函数为零。由波导理论还知道，对于任意截面的柱状波导，各模电磁场满足如下功率正交条件01221DSHEHE27以上式子表明模式1和模式2不发生功率交换，既两个模式各自独立地携带能量，传输中互相不交换能量。式26和27是多模馈源的理论基础。多模圆锥喇叭的物理机理可表述如下众所周知圆波导的主模是TE11模。如果圆波导工作于主模，则其辐射方向图呈现出极低的交叉极化峰值电平。TEN1模对H面和E面的方向图都有贡献，而模TMN1对E面方向图有贡献，对H面没有贡献。通常，由安徽工程大学毕业设计（论文）15于主模为TE11模的喇叭的E面方向图比H面方向图窄，形不成旋转轴对称的辐射方向图，其峰值交叉极化电平也必然高。因此一般说来主模馈源是一种低效率馈源。如果在主模馈源中引入产生高次模的装置，而且合适地配置高次模与主模的相对相位，充分利用不同高次模的不同特性，就有可能对馈源系统获得很好的性能。图28双模圆锥喇叭图29双模圆锥喇叭的口径场图28和图29所示的为双模圆锥喇叭的结构和工作特性，它是在圆锥喇叭的颈部加入了一个不连续段，除了激励主模TE11外还激励了高次模TM11。适当调整不连续段的长度和直径，就可以控制TE11和TM11两种模式之间的幅度比及相位关系，在喇叭口径上得到较为均匀的口径场分布。242其他高效率馈源1波纹喇叭自从1966年AJSIMONS、AFKAY以及RELAWRIE、LPETERS提出波纹喇叭以来，这种馈源已在测控、通信、射电望远镜以及卫星接收天线等系统中广泛应用。经过三十多年的发展，波纹喇叭的理论与实践已日趋完善。波纹喇叭的结构如图210所示。在喇叭的内壁上对称地开有一系列/4深的沟槽，它们对纵向传播的表面电流呈现出很大的阻抗。与几何尺寸相同的光壁喇叭比较，这些纵向的表面传导电流将大大减弱，由全电流连续性定理，则不可避免地使法向位移电流减弱，从而使喇叭口径上边壁附近的电场法向分量减弱，即使得E面场分布也变为由口高静双模圆锥喇叭天线设计16径中心向边缘下降，最终使E面方向图与H面方向图对称。图210圆锥波纹喇叭俯视图2混合模介质加载圆锥喇叭多模喇叭由于其主模和高次模的传播速度不一样，因而频带特性较差，不宜在频谱复用体制中使用。波纹喇叭尽管具有优良的辐射特性，且频带很宽，然而加工复杂、昂贵、重量较重，特别在毫米波频段或更高的频段，其加工更为困难。因此需要一种具有和波纹喇叭一样的优良性能，但加工简单、成本低、重量轻的新型高效率馈源。混合模介质加载圆锥喇叭就是一种非常有前途的馈源，其剖面结构如图211所示。它由填充两层介质的金属壁圆锥喇叭组成，且内层中心介质的介电常数大于外层介质的介电常数。在这样的结构中，纯TE模和纯TM模均不能满足边界条件（零阶模TE0N和TM0N除外），只有TETM的混合模才能满足边界条件。图211混合模介质加载圆锥喇叭计算和实验结果表明,该喇叭可以支持HE11平衡混合模，且具有和波纹喇叭类似的口径场分布和远场辐射特性。但是和波纹喇叭相比，其分析和设计简单，加工容易，重量轻和成本低，在毫米波以及以上的频段应用中优势将更为明显。其缺点是功率容量小，因此需要研制新型的低损耗、耐高温的材料。安徽工程大学毕业设计（论文）17第3章双模圆锥喇叭天线的设计31双模圆锥天线喇叭天线通过馈电段向移相段输入电磁场，通过波模的激励、传输和控制到达喇叭口面形成口面场，由口面场向空间辐射，在辐射区干涉叠加，形成了辐射场在空间的分布幅度方向图和相位方向图，并得到各项辐射性能。在双模圆锥喇叭中，使用主模TM11和另一个高次模TE11，主模圆波导的模在台阶处激发若干高次模，选择尺寸、A、台阶比/A，使之能传输TM11和TE11模，其余可能激起的高次模被截止。311天线的设计本天线设计的结构参数有激励段小圆波导半径A和长度L,移相段喇叭口面半径A和喇叭轴向长度H,辐射段大圆波导半径A0、喇叭张角0和轴向长度H。双模圆锥喇叭天线的设计步骤为（1）先根据边缘照射电平,研究H面方向图,确定出喇叭口面的半径A0（2）再根据等化最大误差电平的要求,以H面方向图为基准,考察E面方向图,确定口面模比M11TM11模与TE11模振幅复矢量之比,由口面模比M11倒推台阶处的模比M11,0,因为喇叭是无耗的,所以有M11,0M11,由M11,0的幅值与台阶比A/A的工程近似关系式|M11,0|3411可求得台阶比（3）由1/与0的最佳近似关系,可求得0（4）考虑到双模圆锥喇叭对台阶的要求184SOLUTIONTYPE。（2）在弹出的SOLUTIONTYPE窗口中（A）选择DRIVENMODAL。（B）点击OK按钮。3设置模型单位（1）在菜单栏中点击MODELERUNITS。（2）设置模型单位高静双模圆锥喇叭天线设计20图33设置模型单位（A）在设置单位窗口中选择ININCH。（B）点击OK按钮。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。图34设置默认材料5创建喇叭模型（1）创建WAVEGUIDE（A）在菜单栏中点击DRAWCYLINDER。（B）在坐标输入栏中输入圆柱中心点的坐标X00,Y00,Z00,按回车键结束输入。（C）在坐标输入栏中输入圆柱半径DX0838,DY00,DZ00,按回车键结束输入。（D）在坐标输入栏中输入圆柱的高度DX00,DY00,DZ30,按回车键结束输入。（E）在属性（PROPERTY窗口中选择ATTRIBUTE标签，将该圆柱的名字修改为WAVEGUIDE。（F）利用快捷键CTRLD,将模型显示调整至合适大小。（2）创建相对坐标系。（A）在菜单栏中点击3DMODELERCOORDINATESYSTEMCREATERELATIVECSOFFSET。（B）在坐标输入栏中输入坐标系原点坐标X00，Y00，Z30，按回车键结束输入。C在坐标输入栏中输入DX0838，DY00，DZ00,按回车键结束输入。D在坐标输入栏中输入DX0709，DY00，DZ00,按回车键结束输入。E在坐标输入栏中输入DX00，DY00，DZ1277,按回车键结束输入。安徽工程大学毕业设计（论文）21F在属性（PROPERTY窗口中选择ATTRIBUTE标签，将名字修改为TAPER。（4）创建相对坐标系。（A）在菜单栏中点击3DMODELERCOORDINATESYSTEMCREATERELATIVECSOFFSET。（B）在坐标输入栏中输入坐标系原点坐标X00，Y00，Z1277，按回车键结束输入。（5）创建THROAT。（A）在菜单栏中点击DRAWCYLINDER（B）在坐标输入栏中输入圆柱中心点的坐标X00，Y00，Z00，按回车键结束输入。（C）在坐标输入栏中输入圆柱半径DX1547，DY00，DZ00，按回车键结束输入。（D）在坐标输入栏中输入圆柱的高度DX00，DY00，DZ3236，按回车键结束输入。（E）在属性（PROPERTIES）窗口中选择ATTRIBUTE标签，将该圆柱的名字修改为THROAT。（F）利用快捷键CTRLD,将模型显示调整至合适大小。（6）将已建立的模型组合起来。（A）利用快捷键CTRLA将模型全部选中。（B）在菜单栏中点击3DMODELERBOOLEANUNITE。（7）为组合模型重新命名。（A）在操作历史树中的MODEL中，双击组合模型在属性窗口中将名字命名为HORN_AIR。（8）选择当前坐标系。（A）在菜单栏中点击3DMODELERCOORDINATESYSTEMSETWORKINGCS。（B）在选择坐标系窗口中，在下拉菜单中选择CSGLOBAL，点击SELECT按钮。（9）设置模型的默认材料。在工具栏中设置模型的下拉菜单中点击SELECT，在设置材料窗口选择PEC材料，点击OK完成。（10）创建喇叭外壁HORNWALL。高静双模圆锥喇叭天线设计22（A）在菜单栏中点击DRAWCYLINDER。（B）在坐标输入栏中输入圆柱中心点的坐标X00，Y00，Z00，按回车键结束输入。（C）在坐标输入栏中输入圆柱半径DX1647，DY00，DZ00，按回车键结束输入。（D）在坐标输入栏中输入圆柱的高度DX00，DY00，DZ7463，按回车键结束输入。（E）在属性（PROPERTIES）窗口中选择ATTRIBUTE标签，将该圆柱的名字修改为HORN。（F）利用快捷键CTRLD,将模型显示调整至合适大小。11完成HORN的建立。（A）利用快捷键CTRLA将模型全部选中。（B）在菜单栏中点击3DMODELERBOOLEANSUBTRACT。（C）在SUBTRACT窗口中，设置BLANKPARTSHORNTOOLPARTSHORN_AIRCLONETOOLOBJECTSBEFORESUBTRACT复选框不选点击OK结束。6创建辐射边界（1）设置模型的默认材料在工具栏中设置模型的下拉菜单中点击SELECT,在设置材料窗口中选择VACUUM,点击OK完成。（2）创建AIR在菜单栏中点击DRAWCYLINDER。（B）在坐标输入栏中输入圆柱中心点的坐标X00，Y00，Z00，按回车键结束输入。（C）在坐标输入栏中输入圆柱半径DX22，DY00，DZ00，按回车键结束输入。（D）在坐标输入栏中输入圆柱的高度DX00，DY00，DZ82，按回车键结束输入。安徽工程大学毕业设计（论文）23（E）在属性（PROPERTIES）窗口中选择ATTRIBUTE标签，将该圆柱的名字修改为AIR。（3）设置辐射边界（A）在菜单栏中点击EDITSELECTBYNAME。（B）在对话框中选择AIR，点击OK结束。（C）在菜单栏中点击HFSSBOUNDARIESRADIATION。（D）在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为RAD1,点击OK结束。7创建波端口（1）创建端口圆面模型。（A）在菜单栏中点击DRAWCIRCLE。（B）在坐标输入栏中输入圆心点的坐标X00，Y00，Z00，按回车键结束输入。（C）在坐标输入栏中输入圆的半径DX0838，DY00，DZ00，按回车键结束输入。（D）在属性（PROPERTIES）窗口中选择ATTRIBUTE标签，将名字修改为P1。E点击OK结束。（2）设置波端口（A）在菜单栏中点击HFSSEXCITATIONSASSIGNWAVEPORT。（B）在WAVEPORT窗口的GENERAL标签中，将该窗口命名为P1。（C）在MODES标签中将模式数修改为2，点击UPDATE按钮。对于MODE1设置积分线，在INTEGRATIONLINE中点击NONE,选择NEWLINE，在坐标栏中输入X0838,Y00,Z00,按回车键结束输入。DX1676，DY00，DZ00，按回车键结束输入。（D）选中POLARIZEEFIELDS复选框E点击NEXT按钮直到结束。8辐射场角度设置（1）设定相对坐标系。（A）在菜单栏中点击MODELERCOORDINATESYSTEMCREATERELATIVECSOFFSET。（B）在坐标输入栏中输入坐标系原点坐标X00，Y00，Z7463，按回车键结束输入。高静双模圆锥喇叭天线设计24（2）在菜单栏中点击HFSSRADIATIONINSERTFARFIELDSETUPINFINITESPHERE。（3）在辐射远场对话框中设置。（A）在INFINITESPHERE标签中NAMEFF_2DPHISTART0,STOP90,STEPSIZE90THETASTART180,STOP180,STEPSIZE2（B）COORDINATESYSTEM标签中选择USELOCALCOORDINATESYSTEM选择RELATIVECS3点击OK按钮结束。9求解设置为该问题设置求解频率。（1）设置求解频率（A）在菜单栏中点击HFSSANALYSISSETUPADDSOLUTIONSETUP。（B）在求解设置窗口中，设置SOLUTIONFREQUENCY50GHZMAXIMUMNUMBEROFPASSES10MAXIMUMDELTASPERPASS002（C）点击OK结束。10保存工程（1）在ANSOFTHFSS窗口，选择菜单中的文件（FILE）另存为（SAVEAS）（2）在另存为窗口，输入文件名HFSS_CHORN（3）点击保存（SAVE）按钮11求解该工程在菜单栏中点击HFSSANALYZE。安徽工程大学毕业设计（论文）25图35分析结果12查看求解收敛结果图36查看收敛（1）点击菜单栏中HFSSRESULTSOLUTIONDATA。（2）点击CONVERGENCE标签可以看到求解的收敛结果。12后处理操作（1）2D辐射远场。（A）编辑激励源。（B）在菜单栏中点击HFSSFIELDSEDITSOURCE。（C）在EDITSOURCE窗口中，设置P1端口的模式1幅度10相位00P2端口的模式2幅度10相位900（D）点击OK按钮结束。（E）在菜单栏中点击HFSSRESULTSCREATEFARREPORT。（F）接着选择RADIATINPATTE