实验六-双模圆锥喇叭天线的设计与仿真

1、实验六双模圆锥喇叭天线的设计与仿真一、实验目的1.设il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，当轴向长度一泄时，增大 口径尺寸的效果将以增大口径而积为优势逐渐地转向以平方相位偏移为优势。最佳圆锥

2、喇叭的主瓣宽度与方向系数可以由以下公式近似汁算:2%s “(ra) = 1.22 2A(raJ) = l.O50.5(如尸2在增益最大值（图中虚线）处，可归纳出R与D的近似关系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而形成口而场，由口而场向空间辐射，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和列一个髙次模TE11,主模圆波导的模在台阶处激发若干高次模，选择尺寸a、A、 台阶比p = a/A,使之能传输TM11和TE11模，其余可能激起的髙次模被截止。喇叭作为反射而天线的馈源，苴相位

3、中心位置可采用解析方法或实验技术来确左，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左天线的相位中心。因为圆锥喇叭结构具有对称性，所以其相位中心就在英轴线上虚顶点与口而中 心之间的某处。在实验之前先对喇叭进行电磁仿真，初步确左苴相位中心的位巻，再根据实验的测试数搦进一步确定其相心的位置。相心位宜用Q表示，即轴线上相位中 心到喇叭口而中心的距离,如下图所示。双模圆锥喇叭的远区辐射场为:四、实验内容设计一个双模圆锥喇叭天线，其指标要求如下:1+Mn1.847/3.83)7,(1.84)COS& +1.841/1中心频率为：5GHz； 采用圆波导喇叭馈电结构,并使

4、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>Oplions>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>SolutionType。(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>UnitSo(2) 在设置单位窗口

5、中选择：in。4设垃模型的默认材料在工具栏中设宜模型的默认材料为真空(vacuum)。5创建喇叭模型(1) 创建Wave guide a创建圆柱模型，半径为0.838in,髙度为3.0in。(2) 创建相对坐标系。以圆柱上底而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： (3) 创建Tapero圆心点的坐标：X： 在坐标输入栏中输入：在坐标输入栏中输入:在坐标输入栏中输入：(4) 创建相对坐标系。坐标系原点坐标：X： (5) 创建Throat。圆柱中心点的坐标：X： 圆柱半径：dX： 1.547JY： 0.0,dZ： 0.0输入圆柱的髙度：(6) 将已建

6、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-Airo(8) 选择全局坐标系。(9) 设置模型的默认材料。在设苣材料窗口中选择pec材料。(10) 创建Horn Wall.圆柱中心点的坐标：X： 圆柱半径：圆柱的髙度：1/1(11)完成Horn的建立。6创建辐射边界(1) 设置模型的默认材料。在设程材料窗口中选择vacuum,点击OK按钮。(2) 创建Air。圆柱中心点的坐标：X： 圆柱半径：圆柱的高度：(3) 设宜辐射边界，将辐射边界命爼为Radi。7创建波端口，将名字修改为pl(1) 圆心的坐标：X： 0.0,Y： 1.07： 0.0；圆半径：(2) 设置

7、波端口。对于Model设置积分线Integration Line中点击None,选择New Line,在坐标栏中输入：X： &辐射场角度设宜(1)设立相对坐标系，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： (2 )在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphereo(3) 在辐射远场对话框中做以下设宜：(a) 在Infinite Sphere标签中：Name： ff-2dPhi： (Start： O.Stop： 9O.Step Size： 90)Theta： (St

8、art： -180,Stop： 180?StepSize： 2)(b) 在Coordinate System标签中:选择Use Local Coordinate System和Relative CS39求解设宜在求解设置窗口中做以下设垃：Solution Frequency:5.0GHzMaximum Number of Passes: 10Maximum Delta S per Pass:0.0210.保存工程11求解该工程12. 査看求解收敛结果13. 2D辐射远场(1)编借激励源。在设程波端口激励时，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

9、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：pl端口的模式1：幅度：1.0：相位：0.0pl端口的模式2：幅度：1.0：相位：90.01/1六、实验结果仿真图如下:收敛结果如下:T oeCttMFCUCOMM4R>«PMM« T I C<wt I喇叭的远场方向图如下:远场增益如上图所示，由于引入了适当的髙次模，使口径场在两个而的分布规律近似相等。在水平角时,E而和H而的波瓣基本重合。最大辐射场出

10、现在俯仰角(正Z方向)处，此时左圆极化增益约为11.8285dB0喇叭轴比曲线图如下：XY Plot 1仔SSD咖M 上40003000Av1D00卜2< J-20000-150 00iWOOCurve "2gtAcnQo FT5GY PN*0<T CB3«iR»lOVHl0) Spl UuUd加 F W4GY *次O切100 00150 0020000由上图可知，在很宽的范围内(-70° <<70°)，轴比都小于3dBa喇叭驻波比信息如下:Freq GHzVSWR(p1:1)Setupl : LastAdaptiveVSWR(p1:2)Setupl : LastAdaptive15.0000001.1367541.140106由上图可知,当中心频率为5GHz时，驻波比为1.140106a七、问题思考1/1本实验所设汁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讣成的。实现了辐射髙效率的目的。对天线进行了仿頁 结果表明，设计制作的天线各项指标均符合设