【《高增益S波段喇叭天线的建模与仿真探析案例》3400字】

高增益S波段喇叭天线的建模与仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u17698高增益S波段喇叭天线的建模与仿真分析案例 1126511.1喇叭天线尺寸和变量定义 117151.2基于HFSS实现喇叭天线的建模 2105261.2.1喇叭模型的创建 2186931.2.2WR430模型的创建 2189541.2.3同轴馈线的创建 35751.3辐射边界条件的设置 4203511.4HFSS的求解设置 5202471.5查看分析结果 51.1喇叭天线尺寸和变量定义首先需要新建一个工程文件，HFSS软件可以自动生成，把模式驱动求解类型作为当前设计的求解类型，再设置创建模型时使用的默认长度单位为英寸。我们可以定义一系列变量来表示喇叭天线模型的相关物理尺寸。对应在HFSS软件中，只需在设计属性对话框中进行变量的添加。对变量1/4波长length的初始数值进行定义，将其定义为1.23in；对变量波导宽度a的初始数值进行定义，将其定义为4.3in；对变量波导高度b的初始数值进行定义，定义为2.15in；定义变量波导长度wlength的初始数值是5×length；对变量喇叭口径宽度a1的初始数值进行定义，将其定义为20.5in；对变量喇叭口径高度b1的初始数值进行定义，将其定义为15.18in；对变量喇叭长度plength的初始数值进行定义，将其定义为22.47in。至此完成喇叭结构参数相关变量的定义和添加，如图1.1所示。图1.1定义变量1.2基于HFSS实现喇叭天线的建模1.2.1喇叭模型的创建一个矩形喇叭模型有上下两个底面，所以我们需要在HFSS软件的三维模型窗口创建两个矩形面。首先在z=0的平面上创建一个大小为a×b的平面，z轴为平面的中心，a和b变量表示矩形的长度和宽度，将次矩形面命名为Horn。为了便于观察，可以将透明度安排为0.4。再将此矩形面的顶部坐标设置为(-a/2，-b/2，0)，a和b则是前面定义的设计变量长度和宽度，如图1.2所示。图1.2HornCommand选项卡其次在z=plength的平面上创建一个以z轴为中心的矩形，分别用变量a1和b1表示矩形面的长度和宽度，并命名为Aperture。再设置其顶点坐标为（-a1/2，-b1/2，plength），其中a1和b1分别是前面定义的设计变量长度和宽度，plength则为喇叭的长度，如图1.3所示。图1.3ApertureCommand选项卡最后合并两个矩形面，生成喇叭模型。1.2.2WR430模型的创建本次设计采用的馈电波导是WR430矩形波导，我们可以在HFSS的三维模型窗口创建一个长方体模型来表示它。该波导模型需要连接喇叭模型的底部，用前面定义的变量a，b以及wlength对长宽高进行表示。为了便于观察，可将长方体模型的的透明度设定为0.4。并将此模型顶部坐标设定为(-a/2，-b/2，0)，从而和前面的喇叭模型相匹配，如图1.4所示。至此WR430波导创建完成。图1.4WR430Command选项卡1.2.3同轴馈线的创建馈线又称为电缆线，在有线电视系统中馈线可以传输信号，所以选择一个高质量和合适型号的馈线可以使有线电视系统接收信号的效果更加优良。现如今我们使用的馈线主要是扁铜线和同轴电缆，其中同轴电缆应用最多。同轴电缆又称为同轴馈线，包含内导体和外导体两部分，两部分都是圆柱体，轴线也在相同的位置上。在此次设计中，我们要求同轴线馈电点需放置在波导宽边的中心线上，与底侧短路板的距离定为波长的四分之一，波导的外侧壁与同轴线的外导体相连，外导体的圆周半径定为0.06英寸，长度为0.3英寸，并把0.025英寸作为同轴线内导体的半径，内导体在波导内的长度为波导窄边长度的一半，即b/2[14]。因为要表示同轴线的外导体和内导体，所以创建两个圆柱体模型。Outer来表示外导体，其底面圆心坐标设置为（0，b/2，-4×length），半径值为0.06，长度值为0.3，如图1.5所示。图1.5OuterCommand选项卡Inner表示同轴线的内导体，先创建一个圆柱体，该圆柱体的材质设置为理想导体。将圆柱体的底面圆心坐标设置为（0，0，-4×length），半径值为0.025英寸，长度值为0.3in+b/2，如图1.6所示。至此内导体Inner的创建完成。图1.6InnerCommand选项卡喇叭天线的每个壁都是由良导体金属做成的，因此我们把已经建立好的喇叭天线的外侧表面设置为PerfectE，即所谓的理想边界条件。此次设计中，激励信号是由特性阻抗为50Ω的同轴线导入，所以同轴线的端口面被设置为负载阻抗为50Ω的集总端口激励，并将激励命名为P1。1.3辐射边界条件的设置天线作为一个辐射结构，理想情况下天线的边界应在无穷远处，但在使用有限元算法求解时，如果边界条件定义为无穷远，求解的效率会十分低下。因此我们在用HFSS设计天线时需要设置天线的辐射边界条件，作为无限大的自由空间的一个近似。并且辐射边界面和辐射体之间的距离应不小于λ的1/4。在HFSS的三维模型窗口中创建一个长方体模型，类似于一个大的长方体盒子，命名为Airbox。然后我们设置这个长方体模型的顶点坐标和尺寸大小。将其顶点坐标设置为（-a/2-length，-b/2-length，-wlength-length），将长方体的长宽高分别设置为a1+2×length、b1+2×length和wlength+plength+2×length，如图1.7所示。至此长方体模型Airbox创建完成，然后将长方体模型的表面设置为辐射边界条件。该长方体模型罩在喇叭天线的外面，相当于模拟的自由空间，再把模型每个表面与喇叭天线之间的距离设置为λ的1/4。图1.7AirBoxCommand选项卡此时基于HFSS软件所建立的喇叭天线模型如图1.8所示，作为辐射边界条件的长方体模型罩在喇叭天线模型外部。图1.8喇叭天线模型1.4HFSS的求解设置论文主要研究工作在2.4GHz时的S波段喇叭天线的增益，所以如图1.8所示设置成2.4GHz的求解频率。用户设置一定的误差范围后，HFSS软件可以自动生成网格，而且十分精确，从而把求解区域进行离散。我们要合理设置网格剖分的迭代次数，此时设置为20，误差标准设置为0.02，并选择SecondOrder作为有限元基函数，如图1.9所示。图1.9求解设置然后定义工作频率范围，本次设计我们所用的是WR430矩形波导，它的工作频段为1.7GHz〜2.6GHz，所以对应的扫频范围设置为1.7GHz〜2.6GHz。且使用快速扫频作为扫频类型，频率步进为0.1GHz。1.5查看分析结果通过前面的操作步骤，基于HFSS设计的S波段喇叭天线已经初步完成建模。在运行仿真之前，需要进行设计检查以确认设计是否全面和准确。在仿真计算过程中，解决方案的进度会显示在工作界面的信息管理窗口，并且在仿真计算完成后会发出提示完成的消息。HFSS仿真计算结束后，我们可以查看叭天线的以下分析结果：工作频率为2.4GHz时的喇叭天线的E面和H面增益方向图、三维增益方向图、输入反射系数S11只有定义了辐射表面，我们才能查看天线远区场的计算结果。E面和H面都是针对天线远区场而言的，对于定向天线，在其最大波束指向，即增益方向，电场与波束指向确定的面为E面，磁场与波束指向确定的面为H面。在本设计中，E平面位于球坐标系下φ=0°的平面，即xz平面；H平面位于球坐标系下φ=90°的平面，即yz平面。我们不仅要把这两个平面定义为辐射表面，还要把三维空间的立体球面设置为辐射表面。天线是无源器件，不能产生能量。天线的增益，即在给定方向上判断发送和接收电磁波的能力。天线增益的大小直接影响到无线通信的质量，提高天线增益最容易的方法是让波瓣宽度变窄。如图1.10所示，红线表示E面增益方向图，紫线表示H面增益方向图，工作在2.4GHz时的喇叭天线无论在E面还是H面，最大增益都约为19.8dB，符合设计要求增益大于19dB。图1.10E面和H面增益方向图天线的辐射特性多种多样，常见的有场强、振幅和相位等，它们在不同的空间角度对应于不同的数值，表示它们之间关系的图形就称为方向图。天线的波瓣宽度也称为主瓣宽度，天线的方向图表现为很多花瓣的形状，其中主瓣的辐射强度最大，我们把低于主瓣峰值3dB处形成的夹角宽度称为主瓣宽度。主瓣宽度越小，表明天线辐射能量越为集中，电磁波的接收能力更强，方向性也越好。如图1.11所示，是极坐标下的增益方向图，其中红线表示E面，紫线表示H面，此时E面和H面的主瓣宽度都为6dB的中间处形成的夹角宽度。图1.11极坐标下E面和H面增益方向图三维坐标系下的增益方向图如图1.12所示，用来描述天线在空间的各个方向上对电磁波的发射和接收能力。由图可得，天线在xz平面（E面）和yz平面（H面）对电磁波的发射和接收能力最强，即增益最大。图1.12三维增益方向图如图1.13所示，为输入反射系数S11扫频结果图。从分析结果中可以看出，2.4GHz时，输入反射系数S11的值约为-15.5dB,不是很理想。S11为输入反射系数，S11=20log10Γ，图1.13S11如图1