实验六-双模圆锥喇叭天线的设计与仿真.docx

一、实验目的

1.设计一个双模圆锥喇叭天线

2.查看并分析该双模圆锥喇叭天线的收敛结果、远场方向图及喇叭轴比曲线、喇叭驻波比信息

二、实验设备

装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理

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。下图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：

20.5H(rad)1.22dm20.5E(rad)1.05dmdD0.5(m)2

在增益最大值(图中虚线)处,可归纳出R与D的近似关系

Rop2.4D20.15

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α、A、台阶比ρ = α /A,使之能传输TM11和TE11模,其余可能激起的高次模被截止。喇叭作为反射面天线的馈源,其相位中心位置可采用解析方法或实验技术来确定,但是解析方法一般较烦琐,且只有少数的结构有解析公式,多采用实验技术来确定天线的相位中心。因为圆锥喇叭结构具有对称性,所以其相位中心就在其轴线上虚顶点与口面中心之间的某处。在实验之前先对喇叭进行电磁仿真,初步确定其相位中心的位置,再根据实验的测试数据进一步确定其相心的位置。相心位置用Q 表示,即轴线上相位中心到喇叭口面中心的距离,如下图所示。

双模圆锥喇叭的远区辐射场为：

1Esin

cosgH1112J1kkAsin0Asin{10gH111.84J1(3.83)J1(1.84)}M113.8321cos1[]ksingH11A0gE11cos'

cosgH112J1(kA0sin)•kA0sin21(1.84)

'Ecos

四、实验内容

设计一个双模圆锥喇叭天线,其指标要求如下： 中心频率为：5GHz；

1gH111 / 5

采用圆波导喇叭馈电结构,并使用两个激励模式,该两个模式的初始误差为90°,构成圆极化。最后得到驻波比、二维辐射远场和圆极化轴比的仿真结果。

五、实验步骤 1.建立新工程

了方便建立模型,在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry复选框选中。 2.将求解类型设置为激励求解类型：

（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。 （2）在弹出的Solution Type窗口中 (a)选择Driven Modal。 (b)点击OK按钮。 3.设置模型单位

（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。 （2）在设置单位窗口中选择：in。 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）。 5.创建喇叭模型

（1）创建Wave guide。

创建圆柱模型,半径为0.838in,高度为3.0in。 （2）创建相对坐标系。

以圆柱上底面圆心作为坐标原点创建一个新的坐标系,在新的坐标系中继续创建模型。坐标系原点坐标：X：0.0,Y：0.0,Z：3.0 （3）创建Taper。

圆心点的坐标：X：0.0,Y：0.0,Z：0.0

在坐标输入栏中输入：dX：0.838,dY：0.0,dZ：0.0 在坐标输入栏中输入：dX：0.709,dY：0.0,dZ：0.0 在坐标输入栏中输入：dX：0.0,dY：0.0,dZ：1.277 （4）创建相对坐标系。

坐标系原点坐标：X：0.0,Y：0.0,Z：1.277 （5）创建Throat。

圆柱中心点的坐标：X：0.0,Y：0.0,Z：0.0 圆柱半径：dX：1.547,dY：0.0,dZ：0.0 输入圆柱的高度：dX：0.0,dY：0.0,dZ：3.236

（6）将已建立的模型组合起来,使之成为一个整体。 （7）为组合模型重新命名,命名为Horn-Air。 （8）选择全局坐标系。 （9）设置模型的默认材料。 在设置材料窗口中选择pec材料。 （10）创建Horn Wall。

圆柱中心点的坐标：X：0.0,Y：0.0,Z：0.0 圆柱半径：dX：1.647,dY：0.0,dZ：0.0 圆柱的高度：dX：0.0,dY：0.0,dZ：7.463 （11）完成Horn的建立。 6.创建辐射边界

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（1）设置模型的默认材料。

在设置材料窗口中选择vacuum,点击OK按钮。 （2）创建Air。

圆柱中心点的坐标：X：0.0,Y：0.0,Z：0.0 圆柱半径：dX：2.2,dY：0.0,dZ：0.0 圆柱的高度：dX：0.0,dY：0.0,dZ：8.2 （3）设置辐射边界,将辐射边界命名为Rad1。 7.创建波端口,将名字修改为p1

（1）圆心的坐标：X：0.0,Y：1.0,Z：0.0；圆半径：dX：0.838,dY：0.0,dZ：0.0 （2）设置波端口。

对于Mode1设置积分线,在Integration Line中点击None,选择New Line,在坐标栏中输入：X：-0.838,Y：0.0,Z：0.0； dX：1.676,dY：0.0,dZ：0.0 8.辐射场角度设置

（1）设定相对坐标系,将坐标系原点设置在喇叭口面的圆心位置。 在坐标输入栏中输入坐标系原点坐标：X：0.0,Y：0.0,Z：7.463

（2）在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。 （3）在辐射远场对话框中做以下设置： (a)在Infinite Sphere标签中：

Name：ff-2d

Phi：（Start：0,Stop：90,Step Size：90） Theta：（Start：-180,Stop：180,Step Size：2） (b)在Coordinate System标签中：

选择Use Local Coordinate System和Relative CS3 9.求解设置

在求解设置窗口中做以下设置：

Solution Frequency:5.0GHz Maximum Number of Passes:10 Maximum Delta S per Pass:0.02

10. 保存工程 11. 求解该工程 12. 查看求解收敛结果 13. 2D辐射远场

（1） 编辑激励源。

在设置波端口激励时,我们设置了两个激励模式。 HFSS在计算时,一般只激励第一个模式,计算结束后需要将第二个模式也激励起来。两个模式的初始相位相差90°, 因此该喇叭天线是一个圆极化天线。

(a)在菜单栏中点击HFSS>Fields>Edit Source。 (b)在Edit Sources窗口中做以下设置：

p1端口的模式1：幅度：1.0；相位：0.0 p1端口的模式2：幅度：1.0；相位：90.0

六、实验结果

仿真图如下：

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收敛结果如下：

喇叭的远场方向图如下:

远场增益如上图所示,由于引入了适当的高次模,使口径场在两个面的分布规律近似相等。在水平角时,E面和H面的波瓣基本重合。最大辐射场出现在俯仰角（正Z方向）处,此时左圆极化增益约为11.8285dB。

喇叭轴比曲线图如下：

由上图可知,在很宽的范围内(-7070),轴比都小于3dB。 喇叭驻波比信息如下：



由上图可知,当中心频率为5GHz时,驻波比为1.140106。

七、问题思考

本实验所设计的双模圆锥喇叭天线是在圆锥喇叭的颈部加入一个不连续段,调整不连续断的长度和直径而设计成的。实现了辐射高效率的目的。对天线进行了仿真,结果表明,设计制作的天线各项指标均符合设计要求。在实验过程中,查阅了一些资料,对资料知识进行整理,筛选,延伸,总结,对有关的公式进行了推演,最后得出此双模圆锥喇叭天线的设计思路。通过本次实验,我了解了双模圆锥喇叭天线的基本结构,并通过仿真直观的查看并分析该双模圆锥喇叭天线的收敛结果、远场方向图及喇叭轴比曲线、喇叭驻波比信息。

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科教兴国

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