矩形口径喇叭天线设计报告

  

  矩形口 口径喇叭天线姓名: 刘线刘毅 矩形口径喇叭天线设计报告 一、 设计原理 1、 矩形喇叭天线的口面场结构 为了说明喇叭天线的口面场结构, 可用一个矩形喇叭来说明。 图 6-5-2 画出了一个矩形扇形喇叭天线) 当矩形波导前端面开口时, 也同样能产生电磁辐射, 只是因为口面直径太小, 按面天线理论, 口面积越大, 辐射场越强, 方向性越好。 这样由矩形波导前端面产生的辐射场强将较弱, 方向性也相对较差。 如果采用开口形状喇叭, 口面积相对增大, 辐射场也将增强; (2) 当矩形波导前端开口时, 将造成电磁...

  矩形口 口径喇叭天线姓名: 刘线刘毅 矩形口径喇叭天线设计报告 一、 设计原理 1、 矩形喇叭天线的口面场结构 为了说明喇叭天线的口面场结构, 可用一个矩形喇叭来说明。 图 6-5-2 画出了一个矩形扇形喇叭天线) 当矩形波导前端面开口时, 也同样能产生电磁辐射, 只是因为口面直径太小, 按面天线理论, 口面积越大, 辐射场越强, 方向性越好。 这样由矩形波导前端面产生的辐射场强将较弱, 方向性也相对较差。 如果采用开口形状喇叭, 口面积相对增大, 辐射场也将增强; (2) 当矩形波导前端开口时, 将造成电磁波在波导内、 外的存在空间不同。 两个大小不同的空间环境对电磁波呈现的阻抗也不相同, 其结果就是电磁波在波导中形成驻波形式,影响能量传输。 如把波导开口做成喇叭形状, 可以使电磁波由波导传到大空间时有一个渐变过程或过渡过程, 这样能减缓阻抗的骤变, 使电磁波在波导内传输时的驻波成份减少, 有利于提高能量在波导中的传输效率。 (2) 当矩形波导前端做成喇叭形状, 电磁波载波道中的传输效率得到了提高, 但由于喇叭和矩形波导形状上的差异, 必将导致传到喇叭中电磁波的波阵面成为柱面(与矩形波导对应的喇叭) 或球面形状(与圆形波导对应的喇叭)。 这样在喇叭口面上形成的口面场 Es 成为非均匀口面场结构, 即在口面上各点 Es 的相位和振幅大小不再相等, 这将造成喇叭天线 矩形喇叭天线口面场相位分布特点 根据天线辐射场一般表示式, 其辐射场EHϕ和最终是由口面场 Es 决定的。 因此对口面场 Es 的振幅和相位分析, 就成为分析喇叭天线的首要问题。 以 H 面扇形喇叭天线为例, 并假定激励 H 面扇形喇叭的巨型波导 TE10型波。 由于 H 面扇形喇叭相当于矩形波导宽边 x 逐渐扩展而成, 因此其口面场EssyE=的相位将随宽边 x坐标发生变化, 与保持不变的窄边 y 无关, 或者说 Esy相位沿窄边 y 保持均匀分布, 如图 6-5-3所示。 图中 Dx、 Dy 为 H 面扇形喇叭天线的口径宽度; Rx、 Ry 分别为 H 面和 E 面扇形喇叭天线的长度; O 为喇叭天线的顶点, 也叫相位中心, 相当于喇叭天线的辐射中心, 或者说球面波是由这样的一个虚设点发出的。 在图 6-5-2 和图 6-5-3 中, 把口面场 Es=Esy沿宽边 x 和窄边 y 的相位关系表示成: {2()()0()xxyk OMOOOMREsyy ===相位与 坐标无关(6 5 1) 而2x22x22()xOMRxRxR ==++, 所以 由于 H 面扇形喇叭天线的等效长度 Rx 一般远大于其口面尺寸 Dx、 Dy, 即 Rxx, 利用幂级数把(6 5 1) 展开, 可得到: 2422(......)2(2)xxxxxRR=+ (6-5-3) 只保留 x2项, 得到: 2xxxR= (6-5-4) 与此对应的相移量最大值为: 2max4xxxDR=(在喇叭口面边沿处) (6-5-5) 这就是说, 对 H 面扇形喇叭天线, 其口面场 Esy 方向虽沿窄边 y 轴方向, 但其相位却沿变化了的宽边 x 方向发生变化。 当设口面中心 O 为相位零点, 在口面 x 方向边沿位置, 口面场 Esy 具有最大相移量2max4xxxDR=, 显然相位随坐标变量成平方率分布。 按同样道理, 对于 E 面扇形喇叭天线, 由于窄边 y 逐渐张开, 其口面场 Esy 相位沿 y 轴方向也一定发生变化, 而相位沿宽边 x 轴却保持不变, 用数学式子表示出来就是: = = 20xyyyR (6-5-6) 在 y 轴边沿处相移量最大值2ymax4yyDR=。 对楔形角锥喇叭天线, 由于宽边 x、 窄边 y 同时逐渐张开, 在这两个方向上口面场相位也会按平方率变化, 用数学式子表示出来就是: 22()xyxyxyRR=+ 与此对应的相位最大值为2y2xmax()4xyxyDDRR=+, 相当于沿变化了的宽边 x、 窄边y 均按平方率变化。 2. 2. 1. 3 矩形喇叭天线口面场振幅分布 对于矩形喇叭天线, 可以看成是由矩形波导沿不同边逐渐张开而形成, 因此, 在矩形喇叭天线中, 其口面场相位除随变化边坐标按平方律分布外, 振幅总是随宽边 x 按余弦规律分布。把三种喇叭天线口面场振幅和相位随宽边x和窄边y的分布用数学式子表示出来就是: 由此可见, 对于和矩形波其振幅沿窄边 y 轴方向是均那条边按, 平方率变化。 正因差, 因而它只能作为一般面 2. 2. 2 喇叭天线辐射场的方根据本章第三节的讨论般表示式中, 即可得到喇叭把 E 面扇形喇叭口面2y12y2()4yDlR=+, 其中 Dy 为H 面 扇 形 喇 叭 口 面 场 分布波导连接的楔形喇叭, 不管其口面场Es=Esy沿那均匀的, 而沿宽边 x 方向振幅按余弦规律变化; 而因为喇叭天线口面场分布不均匀, 导致喇叭天线面天线的照射器, 而不能作为独立的面天线使用。方向性与最佳喇叭 论结果, 只要把各种喇叭天线口面场分布函数带叭天线的辐射场何方向函数。 面场分布函数代入 E 面辐射场表示式中, 并令参为 y 方向口径最大值, 可画出 E 面扇形喇叭天线布 函 数 代 入 H 面 辐 射 场 表 示式 中 , 并 令 参那个边张开形成,而相位却随变化的线辐射场方向性较 带入口面辐射场一参数2y8l yDs=,线 E 面方向图。 把参 数2x8l xDt=, 12x2x2()4xDlR=+, 其中 Dx 图 6-5-4 E 面喇在图 6-5-4 中,0s = ,口面场) 的 E 面方向图。 图相位口面辐射场 H 面方向图于 0 的方向图作比较, 其最0 = 不再是最大的辐对于喇叭天线, 为了获上, 也就是沿着喇叭天线口面, 也就是: 差使超过22ymax42yyyyDRDR=对于 H 面扇形喇叭, 保2ymax43xyxyDRDR= 这一数值比 E 面扇形为 x 方向口径最大值, 可画出 H 面扇形喇叭天线喇叭的 E 面方向图 图 6-5-5 H 面喇叭yylR 即或曲线对应等的幅同相位口图 6-5-5 中,0xxtlR= , 即或曲线对。 由以上两图可见, 把 s=0 和 t=0 对应的口面辐明显的差别有两点: 零点消失, 主瓣变宽; 过大辐射方向, 而整个喇叭天线的辐射方向图形类似马获得较好的辐射方向图, 使最大辐射方向保持在面的法线方向, 工程上规定 E 面扇形喇叭口面场2 保持最大辐射在0 = 方向上, 规定其口面场最34 形喇叭的限制宽松。 这是因为 H 面扇形喇叭口面线 H 面方向图。 叭的 H 面方向图 口面辐射场(均匀对应振幅按余弦同辐射场与 st 不等大的口面场相位偏马鞍形。 0 = 方向位置场的最大相位差不大相位偏差为: 面场振幅岁呈余弦 分布, 但在口面边沿位置其振幅绝对值较小, 这样即使在该位置有较大的相位偏差, 对整个H 面扇形喇叭天线辐射场方向性影响仍不会太大。 根据面天线方向系数计算式可得到楔形喇叭天线的方向系数为: ()()32HEyxDDDDD 其中 DH与 DE分别为 H 扇形喇叭河 E 面扇形喇叭的方向系数, 它们的大小为: 224{[ ( )C u( )][ ( )S u( )] }S vyxHxD RDC vD=+ (6-5-15) 2264[( )( )]wxyEyD RDC wSD=+ 其中 C(u) 和 S(u) 为菲涅尔余弦和正弦积分, 即: =而其它参变量为: 20( )cos()2uC ut dt20( )sin()2uS ut dt= 1()2xxxxRDuDR=+1()2xxxxRDvDR=2yyDwR= 图 6-5-6 和图 6-5-7 分别画出了 H 面扇形喇叭天线的方向系数和 E 面扇形喇叭天线的方向系数随其口径相对尺寸xD和yD的关系曲线。 为了消除方向系数对口径尺寸xD 和yD的依从关系, 图中纵坐标表示xD与HD 、yD与ED 的乘积, 只要把从曲线纵坐标中查出的数值乘以xD和yD, 就可得到不同口径面喇叭天线的方向系数 DH与 DE数值。 图 6-5-6 H 面扇形 形喇叭的方向系数 图 6-5-7 E 面扇形喇叭 叭的方向系数 二、 软件仿线) 运行 HFSS 并新建工工程 启动 HFSS 软件, 另存工 (2) 设置求解类型 设置当前设计为模式驱 (3) 设置模型长度单位 2、 添加和定义设计变量在 HFSS 中定义和添加如下表3、 设计建模 (1) 创建喇叭模型 工程文件。 驱动求解类型。 量 表所示的实际变量。 (2) 创建 WR430 波 波导模型 (3) 创建同轴馈线 ①创建同轴的外导②创建同轴的外导导体 导体 (4) 布尔操作 ①执行合并操作,②行相减操作, 消 (5) 把喇叭天线 个物体合并成一个完消除 Horn 和 Inner 两个模型 线的外表设置为理想导体边界条件 完整的物体模型。 (6) 设置端口激励 (7) 设置辐射边界条件 4、 求解设置 (1) 求解频率和网格剖分设置 (2) 扫频设置 5、 设计检查 6、 查看分析结果 (1) 定义辐射表面 (2) 查看 E 面和 H 面上的增益方向图 (3) 查看三维增益方向图 (4) 查看回波损耗 S11 扫频结果

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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