现代天线与雷达课程报告综述

1、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-ma i I: fuha 订 un_f I y126. com指导老师:杨丹2008年12月28日现代天线与雷达(课程设计报告)第页目录报告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2酚真结果分析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：7221优化各缝隙谐振长度7

2、2.2.2仿真天线阵152.3结论18报告：3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_r1. 5mm锥上半径up_r130mm锥体高度hig

3、ht45mm上下锥距a01mm同轴尺寸：同轴内半径rO0. 5mm同轴外半径2. 3*r01. 15mm同轴线长度lengthhight+c/fO/4辅助变量：中心频率fO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亳米mm.在3D Modeler -Units,在设置窗I I栏中选择

4、：mm,点击0K.d、设置模型的默认材料在工具栏中设置模型的卞拉菜单中选择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, aOmm/2),沿Z轴放置，锥上半径尺寸 up_rmm,锥卜半径尺寸down_rmm,锥体高度hightmm,并命名为up_cone.b、创建卜锥down_cone现代天线与雷达(课程设计报告)第2页在模型树中选中上锥，点击右键edit-Duplicatearound 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

5、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, aOmm/2)，沿Z轴放置， 同轴内半径尺寸rOmm,同轴内导体长度-(hight+c/fO/4+aO),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, -aOmm/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/fO/4),并命名为cylinder_l.(c) 在菜单栏中点击draw cylinder,创建锥体，中心位置为(0, 0, -aOmm/2)，沿Z轴放置， 同轴内半径尺寸down_r,同轴内导

6、体长度-(hight+c/fO/4),并命名为cylinder_2.(d) down_cone 与 cylinder_2 布朗加，再减去 cylinder。(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DrawCircle,位置是(0, 0, - (hight+aO/2+c

7、/f0/4),半径为2. 3*r0,命名为 port 1.3设边界条件和激励源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ZK2、设置辐射边界在模型树中选择 air,右键 Assign boundaryassignradiationt 如图 1 -4 所示。1.4设求解项并分析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Analysissetupl点右键，选择Add Swe

8、ep,弹出对话框，设置如图1 -6所示。1.5保存并求解工程现代天线与雷达（课程设计报告）第3页在菜单栏中点击filesaveas ,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1-5求解设置图1-3端I I图1-4辐射边界GeneralSolution Setup| Options | Advanced | Defaults |Setup Name：|Setupl|ghz VSolution|4厂 Solve Ports OnlyMoximum Number o Pazzaz:Convergence per passQ Maximum Delta S|0. 02,

9、r Use Matrix ConvergenceUse Defaults I现代天线与雷达（课程设计报告）第#页图1-8驻波比随频率的变化关系图1-6扫频设置20：45：50tVk/V7/72.C24.3t Freq (OHr|6.178.W00i.aa O-Tt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。23 Dec 2008Anton CorporationXY Plot 1HFSSDesignl3.00现代天线与雷达（课程设计报告）第9页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24 Dec 2

10、008Ansoft CorporationRadiation Pattern 2图1-10 4G时H面方向图24 Dec 200821:28:263、根据要求8-12G时的驻波比Anwft Corporati onXY Plot 1HFSSDslgn11.33-1.20e1.30-1.28-1.25-Frq IGH7I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24 Dec 2008Ansoft CorporationRadiation Pattern 1HFSSDesIgnl-1809.0-31.69.0图1-12 E面方向图24 Dec 2008Ansoft

11、 CorporationRadiation Pattern 2HFSSDesignl 0-180100-2oo10.0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9.375GH乙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I I最近 的缝隙，离馈电端1/2波导波长。波导尺寸：22.86X10.16Xlmiiio 缝宽：1.6mm（方缝）。在设计中将用到各变量，可以在设计出即

12、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 Pioporties； Add； OK.Properties: TaveuideO - HFSSDeignlLocal VoriblesA VmIu* Of tvt3 ralien- InningSani tilySlaiixlic*Wati*Unit I EvfiduftKid VaIuaBa script ionad-orly IKi ddwnTh22.3510.36lO.ienr.22.aenr.ddv Shw Kid轴06S职消注意：波导波长为44.8nun。操作:Project-Proj

13、ect Variables： OK.(1)操作：Diaw-box： OK.现代天线与雷达(课程设计报告)第8页尺寸下图所示: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，CtH+单击要选中的上述两个 Box： 3D Modeler-boolean-Substract； OK.现代天线与雷达（课程设计报告）第#页得到如图示:(4) 画 Sloto操作：(a) 3Dmodeler-CoidmateSystem-Creat-RelativeCS-Offset： OK. 设置如下：(b) Draw-box： OK. 尺寸如下：

14、Propertieff_Vaveguide - HFSSDesignl - 3D lode 1 er区|Val*aIfcitDq:cript5onCcrnandCfeateEo*Cocrdinate SyKeLafjveCS)Posj bon72 厂 172 z0-0 Sin “ -*Trn “ 0ISiwV0. C01rSixcLlAirange-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-booleaii-Substract；OK.(5 )画 Short Planeo操作：选择 GlobalSys

15、tem： Draw-box： OK. 尺寸如下：操作：3D Modeler-boolean-Unite: OK. 得到如图示：现代天线与雷达(课程设计报告)第n页 9Satr加 la(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-AssignExcitations-Wave Poit;IiitergrationLine -NewLme； OK.DGP 0e a EE* BQ/作匕匕 NS?A %乙“纾。26 纟 O0Q* W ? AC o ?0，已 p 0 W “ 列 r .0-匸! 3 I1 n w ， w 、u

16、r .mijitf0 2 .K0QI3- 需0 c丈 J4 ，啦-V.H - nMt L.IU现代天线与雷达(课程设计报告)第13页(7)设置吸收边界(a)Diaw-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-OutputVariables；填入变量名等；Add, OK。 设置如下：(2) 操作：Optunetiics-Add-Optiniazation： OK. 设置如下在：操作:Analysis-Add Solution Setup； OK.(3)操作：OptiinazationSetup 1 -Analyze:

17、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。现代天线与雷达（课程设计报告）第21页16单元的缝隙的偏置如下图中X变量所示:序号激励幅度21 (mm)x(mm)序号激励幅度2/(mm)x(mm)10365215.2T1.5691.000015.463.220.441915.211.69100.952315.453130.560215.262110.875015.412.9340.680115.31235120.784115.372.6850.784115.372.68130.680115.312.3560.875015.412.93140.560215.26270.952

18、315.453.11150.441915.211.6981.00001M63.2160.365215.21.563 优化结果优化得到前八个缝的谐振长度为:Properties: Vaveguide - HFSSDesign2NarieYaLaeUnitEvaluatedDescriptionE.eaionlyHidden 上Jlongihl15. 31mn15 31crm厂厂length215.3(Tin15. 3nm厂|15 3mn15. 3nmr厂一IlengtM15. 37(Tin15. OTititi厂15. 42mn15 4亦r厂length15.41(Tin15. 41irm厂15

19、 5mn15. 5nmr厂lengtM15. 72(Tin15. 72itiTi厂厂（q| ValueC Optimirati on.C Seasitivity Statistics0 Show Hi ddenKen eve|15.8 nCurve of optimization lengthCUE 二 6uqi)-j15.7 15.6-15.5-15.4-15.3-2.02.83.03.23.4x( Offset)/mm222仿真天线阵1 建模波导宽边开缝天线阵，天线阵单元数:16o波导尺寸：22.86X 10.16X lnmio缝宽：l6mm（方波导建立

20、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II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： OK3. 查看结果 Project 树中 RadiationI 右键-Iiiseit-Fai field Setup； OK. 设置如下：重复上述操作，设置如卞:重复上述操作，设置如卞:Project 树中，Result-Create report； OK. 3D增益方向图：蕊 Anoft HFSS - Vavecu

21、ide - HFSSDesicn? - 3D Polar Plot 1 - SOLVED - (Vavecuid6 - RFSSDgi2 - 3D Polar Plot ZileProject 迦 ffSS I00IS Riadw 2elj caQ旨El目必2D Q仝咼0蒼血乂 ：i /5羔彰 0 S G . e.；dCJK-&avuli*_0L 沙?iu逐 (tdi “lieSnmt H Hat E3rrt nrt2D ffSS I00IS Riadw 2eljD 13； Q旨 X Q-Iglxl 0 x28 Dec 2003仗_严F.2Snmt K Hat E3rrt n兀疋圈存tn天姊&

22、讨應导辺氐天殘心矽加缈|-劭HFS5D影卯2j Normal corrpWi:id zhwblson ivei LoidMaclr. |1:21 下午 十二月 28z2H面方向图:9.375GHZ驻波比:孤 Anoft HFSS - Vvetuide - HFSSDe8icn2 - IY Plot 2 - SOLVED - Vavecuida - HFSSDesien? - XT Plot 21Iglxl血xdCJ因2BDee2O0BAn*ofT CorporationXYPIOt?HFSSOeign215:36:54EHY1O 血(V&R(YavePo Su?1 - LastAfiaptt.

23、逐 &dL “lie g55 not 里Flo上习 3rrt n Normal corrpW: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0K.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)

24、(37, 0, 0)。然后点击右键选择 edit-sweep-along vector.输入矢量的坐标(0,3&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-arangerotateo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

25、x轴旋转180度， 点击0K完成三角形偶极天线的建模，将其材料设置为peco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 boundar

26、yradiation如图三所示。现代天线与雷达(课程设计报告)第25页图三辐射边界（6）设置端口选 择 rectanggle, 在 project manager 窗 口 中 选 择 excitationsassignluniped port, 如图四所小。（7）求解设置A、在 project manager 窗丨丨中选择 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 analysissetupl，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

27、 ,将该工程命需为“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6.26 Dec 2008An ioft CorporationXY not 2HF$D0ilgnl7.0017：43：096.005.004.0

28、03.002.001.000 Freq GHz:Y:3.10OHz f图九驻波比随频率的变化关系00BAniwft CoriwvntionRadldikMi Prtnern 2 HFSSDeeionl3Q6 63.03、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17:5?!O5Attaoft Corpomtio*) gMlUHon Piittefn T HFSSDeionl城O204732Q图十一 三角形偶极天线的H面方向图现代天线与雷达(课程设计报告)第29页报告4：

29、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二100。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 场强最人处，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b10.16mn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15

30、7 88nm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5mn5mm内导体长度5nm+b/210 08nm辅助变量变量数值中心频率fre10四分之一波长fl75mn/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0K。4. 设置模型的默认材料在工具栏

31、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horno(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, B

32、oxl 与 horn 布朗加。(e) 在face选择模式卞，同时选择波导与喇叭相接面及喇叭I I径面，如图4-1所示，单击右键, 选扌单 editsu:rfaceuncover 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, Omni, -guidelong+f 1) 沿X轴放置，半径。r,高5mm。(b) 创建内导体ci,圆心坐标(b/2+5mm, Omm, -guidelong+f 1),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

33、保留co、ci。(3 )创建 airboxo在菜单栏选择 draw box,位置为(-dy/2fl, dx/2fl, guidelong2mm) , X 轴尺寸 dy+2*fl, Y 轴尺寸 dx+2*fl, Z 轴尺寸 guidelong+2mm+l+f 1 o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

34、I I 中选择 exci tat ionsassignlumped 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 analysissetupl,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现代天线与雷达（课程设计报告）第#页4.3仿真结果按

35、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。20Dec2CW图4-7驻波比随频率的变化关系Anwft Corporation XYPloH HFSSDesIqnl现代天线与雷达（课程设计报告）第31页40.00.200 bo20 Dec 20081206:51-qp 二puoddlu 二 TEOddum-os)8p、Xs.、X/48.0012.00116010.00 11.00 FQbAnjwft Corporation XYPIot2 HFSSDesIgnlo.5.0图4-8反射系数|S11

36、|随频率的变化关系20 Dec 2008Amoft Corporation12:56:03XYPIotlHFSSDesignlHp 二 O.LU!B8Ploo.bo0.00100.00200.00图4-9 8GHz增益方向图现代天线与雷达（课程设计报告）第35页12:075320 Dec 2008Ansoft CorporationXYPIot3HFSSDesignlTheta deg图4-10 10GHz增益方向图23 Dec 200821:17:10Ansoft CorporationXY Plot 1HFSSDesig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

37、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同轴馈线接地面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1.3。相关的初始参数设置如下（对应图中所示）：等边三角形的边长a二lOmrn介质基片的高度h二0. 159mm,长度和宽度d=45mm介质基片的相对介电常数6二2. 32接地板的长度和宽度为心二90mm5.3HFSS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Projec

38、t -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亳米mm.在3D Modeler Units,在设置窗I I栏中选择：mm,点击0K.（2）创建天线模型1、创建接地板现代天线与雷达(课程设计报告)第37页在菜单栏中点击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groundplaneo2、创建介质基片在菜单栏中点击Draw-Box,起始位置为(-22. 5, -2

39、2.5, 0),长度和宽度均为90,高度为 0. 159,命名为 substrateo3、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 porto6、创建air在菜单栏中点击Draw-Box,起始位置为(-80, -80, -35)