基于HFSS的双脊喇叭天线的设计与仿真

电子测量技术 ELECTR()NICMFASUREMENTTECHNoLOGY 第30卷第7期 2007年7月 基于HFSS的双脊喇叭天线的设计与仿真 刘密歌张麟兮 (西北工业大学国防科技研究院 西安71()()72) 摘要：宽带喇叭天线在测量，雷达及通信系统上的应用已愈来愈广泛。利用电磁仿真软件HFss，给出了一种宽带双 脊喇叭天线的仿真模型及其各部分结构的具体设计方法，并结合实际的1二程需要，设计了一幅频率范围为1GHz～18 GHz的宽带双脊喇叭天线，通过对其电性能参数进行仿真及测量。结果显示：驻波比在1．6GHz～18GHz的范倒内小 于2．5，在整个频段上，增益大干10dB，三维方向图在15G№时主瓣才开始出现分裂，并且随着频率的升高，直到18 GHz主瓣也没有出现大的凹陷。设计的天线能够满足更高的工程要求。 关键词：双脊喇叭；宽带天线；驻波比；方向图 中图分类号：TN9j文献标识码：A Simulati叫anddesignofdouble-ridgedhornantennabasedonH】隔S LiuM塘eZhallgLm)【i (Natl。ⅡaIDefcnseTechnologyI删Itute，NWPU，XI‘an7lo。72) Absn自ct：Bfoadbandhomant㈣hasbeenwjddyu5ed抽them朗slJrement}fad丑randconm】l】n；catjons”temBased ontheknowneLectromagrLeticshlulaL|onsoftwareHFSS，amoddofbroadbanddouble_ridgedhornantennaanddesizn mcthodofthewholesystemarcpresented．Iksldes，a1～18GHzdouble_ridgedhornantenna1sdesigr坨dandsimulated withHFSS，accordi“gtopracticaler培ineeri“gdcmandThereSultsshowthatVSwRis lowerth8n2．5whenthe frequencyisbetween1．6GHzand18GHz，andthegalnlsgreatcrthan10dBlnwholem“gBTh。ughtheradiation pancmbeginstospl|tat15GHz，thernainl。b亡hasnotbe∞str。nglyindented、v11cnme{requencylsupto18GHa Thisdenotesthatthedesl朗edantennacanfulfiIlhjgherdemand& Keywords：doubl中订dgedhorn；broadbanda玳enna；VSWR；radiaLionI)attem 0引 言 对喇叭天线而言，最常用的展宽频带的方法是在波导 部分及喇叭张开部分加入脊形结构。虽然该天线已应用 于某些工程实际中，但是此类天线在频率大于12GHz时， 增益下降，方向图主瓣出现分裂，并且随着频率的升高，主 瓣凹陷得越来越厉害。这对方向图要求高的场合，如将天 线用作主反射面馈源、EMc测试，已不能满足要求。针对 这一问题，本文利用Ansoft公可推出的HFss电磁仿真软 件，通过做大量的仿真实验．设计了一幅频率范罔为1～18 GHz的宽带喇叭天线沱的增益在整个频段大干10dB，方 向图在15GHz时，主瓣才开始出现分裂，并且随着频率的升 高，直到18G}k主瓣也没有出现大的凹陷，这样的结果比较 理想，可“满足更高的工程要求， 1宽带双脊喇叭天线的设计 基于电磁仿真软件HFss，通过做大量的仿真实验，得 到宽带双脊喇叭天线结构模型如图1所示，它由3部分组 ·142· 成：馈电部分，脊波导部分，喇叭张开部分。各部分的具体 设计过程如下。 图1双脊喇叭天线仿真模型 2．1脊波导部分设计 脊波导部分的横截面示意图如图2所示．波导的横截 面尺寸为n×6，脊宽为Ⅱ1，脊间距为6】，设计时主要依据 脊波导理论。在设计时，首先确定b／a，矾加，n1／a的值，然 万方数据 型童垦量!叁重型!塑塑坚堂型垒，叁堑丝堡堕量笪叁 篓!塑 后参考文献[4]的曲线就可得^匹，。亿，^匹。几及频率为无 穷大时TE，。模的特性阻抗z。。的值，通过式(1)算出在给定 工作频率／下的特性阻抗以便于馈电段的设计： 劫一2扣~／l一(f／，)2 (1) 为了改善馈电段到喇叭段的匹配，让它的横截面尺寸 逐渐增大，所以这部分的整体结构设计成一个E面的扇形 喇叭，再在两个窄壁面上加2个楔体以改善高频端的方 I旬罔。 一鲢§§f图2波导口x()z截面示意图 1．2馈电部分的设计 馈电部分的结构示意图见罔3，通常采用N型同轴接 头馈电，同轴线的外导体连在波导的侧壁上，同轴线的内 导体通过第一个脊的腔体，连到第二个脊上形成短路，内 导体在波导腔内可看作一单极辐射器，由于普通波导的阻 抗远大于同轴线的阻扰，因此内导体必须终止在远离波导 壁的地力，以防止失配，而脊波导的阻抗与同轴线的阻抗 相一致，所以同轴线的内导体必须接在相对的脊上以利于 匹配。最后，再在脊波导的后端加一段直波导(艮度应小 于最高工作频率的半个波长)，作为滤除被激励出来的 】 ) TE。模，因此脊波导的可用带觉应足：产，而不是产．显而 o、∞0 ’、t20 易见，币模工作带宽被大大的加宽r。 图3双脊喇叭天线W埕而示意图 l_3喇叭段的设计 喇叭段的长度应火于最低工作频率波长的一半，这样 才能保证阻抗转换过程中不激起高次模。喇叭的口面按 照常规喇叭的设计方法，根据增益与口径面相差的要求来 确定，困为场分布主要集巾在两个脊的附近，所以考虑加 工后实际喇叭的重量可以将两个窄壁面去掉，这样对低频 端的方向图稍有影响．经过反复的调整，最后两个窄壁面 采用介质板，并在其上均匀分布6条很窄的金属片，脊的 形状根据阻抗匹配原则设计。为了使馈电点阻抗能够平 滑的过渡到喇叭u自由空问阻抗．基于大量的实验发现， 阻抗变换形式为如下所示．具有较好的效果 z=z。产，O≤z≤￡／2 (2) ￡一377+z。。(1一矿“～)，f／2≤z≤Z (3) 式中：￡是喇叭段的长度，^是常数，它可由喇叭巾点的阻抗 为两端阻抗的平均值这样的条件来确定。因此脊结构的 形状曲线一般也为指数形式，如式(6)所示。附加的线眭 项．可起到扩展低频带宽的作用。 y=A矿+C (4) 2双脊喇叭天线的仿真 按照上而双脊喇叭天线的设计方法，利用电磁仿真软 件HFSS，此软件拥有强大的天线设计功能，设计了1副 l～18GHz的天线并加T成型，它的仿真结构如图1所示， 其具体尺寸为：喇叭口面240mm×139mm，喇叭底面 86mm×67mm，短路板截面26mm×16mm，喇叭的轴向 长度1j2rnn，，用500同轴线馈电，N型接头的芯线半径为 o．65mn、，插入的腔体半径为1．5mm，脊曲线方程为 ，一O．95×矿。27。46㈣“。。+0．02×z (5) 为了分析所设计天线的方向图，增益及驻波比，本文不仅 给出了电磁仿真软件HFSS的仿真结果，而且还给出了微 波暗室的测量结果。为了对这两个结果进行比较，将电磁 仿真软件HFSS得到的仿真数据和微波暗室得到的测量 数据分别导人到MATLAB里面，通过MATLAB进行处 理，得到了_二者电性能特性的比较图。从圈4可见，VswR 除了在低端1GHz～1．6GHz范围内较大外，其余工作点 都小于2．5，满足实际的工程要求。要观看此天线的增益 及方向性，由于频带太宽，测量和仿真得到的数据量太大， 因此我们仅给出r不同频段上典刑频率点的增益方向图。 其中图5、图6为低频段中心频点的H面及E商增益方向 图，由图可见增益很理想，H而及E而都大于13dB，3dB 主瓣宽度较小．波束集巾，随着频率的升高增益开始慢慢 F降．波束变宽且趋于平坦，当到达整个频带的中心频点 lOGHz时，由图7、图8可见，H而增益降为11．5dB，E面 略有下降，3dB丰瓣宽度都增大了，随着频率继续升高到 达13GHz时，由图9、图10可见，H而主瓣波束稍有波动， E面主瓣波束出现1dB的凹陷，三维方向图仍是单一的主 瓣。当r≥15GHz后．E面及H面方向图都出现凹陷，三 维方向图才开始出现分裂，如图¨所示，随着频毕的升 高，商到18GHz主瓣也没有出现犬的凹陷，性能参数明显 提高了，并且仿真的二维方向图与测量的二维方向图除r 在两侧低副瓣区差异较大外(这主要是因为仿真和测量中 ·143· 蟛哿盟 万方数据 篁竺童 皇重型童垫查 馈电喇叭周围的空间环境不相同而造成的)，在主瓣区基 本是吻合的。这说明所给出的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是合理的，对天线 ·144· 图8 10GHz的E面方向图 的电性能特性利用电磁仿真软件HFSS的分析结果是有 效的。 { 褶 磬 图5 6GHz的H面方向图 角度／。 图9 13GHz的H面方向图 ∞磊野 万方数据 型壅墼量!塞重旦至!!丝垒童型垒叁丝竺堡堕皇笪塞 篁!塑 角度，。 图lO13GHz的E面方向图 图ll 15GHz仿真的三维增益方向罔 3结 论 本文给出r一个宽带双脊喇叭天线的设计方法，并利用 电磁仿真软件}狂：Ss具体设计了一幅lG比～18G}k宽带双 脊喇叭天线。仿真及测量结果都较为理想，可满足更高的实 际要求，对工程上设计此类天线具有一定的参考价值。 参考文献 [1]KERRJLshor[AxialI，engthBmadbandHorn口] lEEETrans．AntennaandPropagation，1973． 12]wALTONKL．suNDIjERGVc．Broadl)andRidged HornDesign[J]．MicrowaveJournal，1964_ r3]Ⅸm．【o—P职厩M，JARm陆mⅡm．ARH，GARaA L I)B}19nand&【m】1anon0fL to14GHzBroadbard 日眦tmnHgr】etic(二。Ⅱ1patlI)ilLtyDRGHAnterma[z]2nd nenlatl(malO)nf【Ⅺ《con日州tn㈣l出1d 日∞tmTics Ehgmeenr】g(1(：Ⅱ卫)andⅪc[1rlf∞ce。n日目n忸l E瓯iI】eenng(CIE20。5)． r4 I见，RNSC．LEUCH丁MANNP，Ⅵ蛆丑衄KRAnalvSls ard&mulanonofa 1 18G}Iz＆ⅪdIⅦ1dIbul)l中硒出ed H0n1AntBlr】a[J]．皿 1岫B． 口艘t肼T1臼gn IbⅡ驷L，2003 [j]杨可忠，杨钾友，张日荣．现代面天线新技术[M]北 京：人民邮电出版利．，1993． [6]邵余峰．宽带加脊喇叭天线的简化设计[J]．现代雷 达，No(5)：6567． [7]刘培国．横束宽双极化加脊喇叭天线设计口]．微波学 报，1998，14(3)：3436． [8]刘克成．超宽带圆锥TEM喇叭天线的分析和设计 [J]．微波学报，1995，11(1)：51j3． 作者简介 刘密歌，女，1972年出生，汉族，陕西 人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为天 线设计。 Email：mige-liu@126．com 张麟兮，男，1964年出生，汉族，四川人，副教授，博 主要研究方向为系统仿真及微波通信。 (上接第133页) 4结 论 本系统软硬件已通过实验调试，系统性能稳定，指纹 信息的采集与考勤信息的记录所耗平均时间小于5s，满足 了考勤管理高效与实时性的要求，具有较好的应用前景。 参考文献 [1]翁汉兴，阎友才，刘晔清．指纹自动考勤系统在火电厂 的应用[J]．华中电力，2006(1)：67—68． [2]陈建孝．利用指纹识别器进行考勤管理[J]．内蒙古农 业大学学报，2006，27(1)：108—110． 13]常静．基于指纹识别的汽车门锁遥控器设计[J：．城市 车辆，2006(4)：46—48． [4]马忠梅．单片机c51程序设计[M]．北京航空航天大 学出版社． [j]梁中华，王子威，祁春清，等．pc机与申片机串行通信 的研究口]．沈阳工业大学学报，200s，27(3)：302_307． [6]刘海春，翁晓光．微机和单片机串行通信广J]．电子测 量技术，2∞4(2)：j9—60． [7]谢命坚．MFc的ODBC数据库编程技术[J]．今日科 苑，2006(7)：I0034． [8]罗瑞明．MF℃子窗[_|管理方法及应用[J]．电脑知识 与技术，2006(7)：167168． 作者简介 刘松，男，天津大学精密仪器与光电 子工程学院测试计量技术及仪器专业硕 士研究生，研究方向为精密测量仪器与智 能化。 ·145· 万方数据 基于HFSS的双脊喇叭天线的设计与仿真 作者： 刘密歌， 张麟兮， Liu Mige， Zhang Linxi 作者单位： 西北工业大学国防科技研究院,西安,710072 刊名： 电子测量技术 英文刊名： ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2007，30(7) 引用次数： 0次 参考文献(8条) 1.KERR J L Short Axial Length Broadband Horn 1973 2.WALTON K L.SUNDBERG V C Broadband Ridged Horn Design 1964 3.BOTELLO-PEREZ M.JARDON-AGUILAR H.GARCIA I Des-ign and Simulation of 1 to 14GHz Broadband Electromagnetic Compatibility DRGH Antenna 4.BURNS C.LEUCHTMANN P.VAHLDIECK R Analysis and Simulation of a 1-18GHz Broadband Double-Ridged Horn Antenna 2003 5.杨可忠.杨智友.张日荣 现代面天线新技术 1993 6.邵余峰 宽带加脊喇叭天线的简化设计[期刊论文]-现代雷达 2004(5) 7.刘培国 横束宽双极化加脊喇叭天线设计 1998(3) 8.刘克成 超宽带圆锥TEM 喇叭天线的分析和设计 1995(1) 相似文献(6条) 1.期刊论文 鲍小一.蒋全兴.BAO Xiao-yi.JIANG Quan-xing 0.2～2 GHz宽带双脊喇叭天线的设计 -电讯技术 2006,46(2) 双脊喇叭天线作为一种重要的宽带天线,在电磁兼容性测试中的应用越来越广泛.本文采用软件仿真设计了一种0.2～2 GHz的双脊喇叭天线.通过仿真 计算优化了天线各部分的尺寸,计算了天线的驻波比、增益和方向图等参数.对制造出的天线的参数进行实测,结果和仿真结果基本吻合. 2.学位论文 刘伟 超宽带双脊喇叭天线的设计与分析 2008 超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)高功率技术在雷达、通信、电子对抗等领域有广泛的应用。高增益的超宽带天线作为超宽带高功率的关键技术之一 ,具有重要研究意义。 经典的超宽带天线可以实现几个倍频程的工作频带,但其结构尺寸较大,满足不了超宽带系统小尺寸的要求。双脊喇叭天线具 有超宽频带、宽带一致的方向图,而且具有较高的增益,被广泛地用作高增益天线的馈源或阵列天线的阵元。本文结合双脊喇叭天线的优点,采用数值模拟 计算的方法,设计了一副频带为0.1-1GHz的超宽带双脊喇叭天线。该天线的尺寸明显变小,但其在工作频带内的特性并没有变差。对双脊喇叭天线的仿真 设计和分析,主要包含以下三个方面： 首先,本文在减小天线轴向长度的基础上,优化脊的形状,改善了双脊喇叭天线的低频特性；该天线的缺点是 高频段会出现方向图分裂,本文采用加栅措施,使天线的方向图和增益变好：对其它结构只作适当的调整。 其次,考虑高功率情况下双脊喇叭天线的 馈电解决措施。通过填充绝缘油,减小了馈电点的电场强度,对其他的参数不造成较大的影响。 最后,采用阵列天线是提高超宽带天线增益和效率的 一条可行的技术途径。本文分析了双脊喇叭天线阵列的阵元间互耦、阵元间距、阵元个数及阵元排列形式对天线辐射特性的影响。最后考虑了馈电相位 对阵方向图的影响。 3.期刊论文 毛岫.Mao Xiu 500 M～2 GHz高性能双脊喇叭天线的设计及仿真 -电子测量技术2007,30(11) 本文研制了一种500 M～2 GHz高性能双脊喇叭天线,作为低频段紧缩场测量系统的馈源.该天线延续了以往文献中介绍的脊喇叭天线宽频带、小体积 的优点,同时,该天线引入了一些新的设计,得到了较高的方向图性能并压低了驻波比,这些新的设计包括:利用MFIE(磁场积分方程)算法的计算结果设计双 脊波导,而不是传统的等效电路法的计算结果;利用HFSS对脊的形状及尺寸进行更为细致的优化;设计辐射段时,并不是完全照搬一般角锥喇叭的设计方法 ,而是将E面和H面方向图的3 dB波束宽度和相位中心这两组参数定为主要指标进行设计.此外,本文 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了一般双脊喇叭天线的设计方法,缩短了脊喇叭天 线的设计时间.本文最后给出了500 M～2 GHz高性能双脊喇叭天线的仿真结果,仿真结果符合紧缩场馈源的要求. 4.学位论文 刘密歌 超宽带双脊喇叭天线的研究与设计 2007 本文的主要目的是根据西北工业大学“无人机特种技术”国防科技重点实验室的项目需求，为阵列式射频仿真目标系统设计一副工作于1～18GHz的 超宽带天线，要求在该频段内天线的驻波比VSWR≤2.5、各频点上的增益G≥8dB。由于双脊喇叭天线不仅具备超宽带特性，还具有体积小、增益和口径效 率高等优点，因此本文选双脊喇叭天线作为所要设计的超宽带天线。 根据设计指标的具体要求，论文的主要研究工作有： 一、从喇叭天线 的基本理论及分析方法出发，设计了一副频率范围为8～12GHz的典型角锥喇叭天线，利用Ansoft公司的高频结构仿真软件HFSS作为天线电磁特性的分析 手段，对天线的反射系数、驻波比和增益方向图进行了仿真分析。 二、对超宽带双脊喇叭天线进行研究和设计。首先，根据喇叭天线的工作特点 ，研究了喇叭天线扩展频带的基本理论，给出超宽带双脊喇叭天线的基本结构。其次，结合天线设计指标的要求，具体设计了一副频率范围为 1～18GHz的超宽带双脊喇叭天线，并利用仿真软件HFSS对其几何结构进行建模仿真，分析了天线的驻波比，增益及方向图等电性能参数。最后，根据仿 真结果对天线的馈电结构及脊体的形状进行了优化设计，得到天线最优的几何结构及尺寸，使得优化后的超宽带双脊喇叭天线的电性能参数能更好的满 足所要求的技术指标。 三、将所设计出的1～18GHz超宽带双脊喇叭天线加工成实物，在微波暗室中利用远场天线测量系统对实物天线的电磁特性 进行了测量，并将测量结果和仿真结果进行比较，发现二者具有较好的一致性，这进一步说明所设计天线的指标满足设计要求，同时也验证了高频结构 仿真软件HFSS在天线设计中的有效性和可靠性。 四、为了对超宽带加脊喇叭天线进行更深入地研究，最后还通过仿真软件HFSS设计了一副频率范 围为2～10GHz，驻波比VSWR≤3.5，增益G≥8dB的双极化四脊喇叭天线。 5.期刊论文 毛岫.李鹏程.邓晖.何国瑜.MAO Xiu.LI Peng-cheng.DENG Hui.HE Guo-yu 500MHz～3.5GHz高性能宽带 双极化天线的研制 -微波学报2008,24(z1) 本文研制了一种500MHz～3.5GHz高性能宽带双极化四脊喇叭天线.首先采用化四脊喇叭天线为双脊喇叭天线的设计方法设计初步模型,然后利用 HFSS对四脊喇叭天线的参数及结构进一步优化,提高了两个极化端口的驻波比性能:一方面对四脊波导各个参数对驻波比的影响进行分析,选出最优的参数 组合:另一方面,结构上采用渐变结构、脊末端顶入导体杆、特制细探针馈电等设计.最终的测量结果显示,优化后的天线具备高性能:工作频带宽、方向图 好,驻波比低,且两个极化端口的驻波比一致性好. 6.学位论文 张跃远 超宽带高功率天线及实验研究 2003 超宽带高功率微波在通信、雷达、电子对抗、目标识别等一系列领域具有潜在的良好应用前景;本文是对超宽带天线及目标冲击响应方面进行的一部 分实验研究;主要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 包括以下几个方面:1.对超宽带高功率微波的技术研究现状进行了介绍.2.对时域中的带宽参数进行了介绍,给出了超宽带的定义.简 要介绍了传统的多种宽带天线,如偶极子天线、等角螺旋天线、对数周期天线、开槽天线、双锥天线等;采用保角变换对常用于天线测试中的加脊喇叭天 线进行了原理的推导,并给出了加工的尺寸,最后对所加工的双脊喇叭天线进行了测试;对时域中常常采用的TEM喇叭天线的基本形状和几种变形进行了综 述,并给出了几种不同的馈电方式.3.对当今最流行的一种电磁场计算方法--时域有限差分(FDTD)方法进行了原理的介绍.主要包括Yee格式和FDTD基本方 程,数值稳定性以及几种吸收边界条件.4.从传输线理论入手,分析比较了三种渐变阻抗传输线:指数型、切比雪夫型、汉克尔型.用FDTD对双带线的特性阻 抗进行了计算,并与微带线特性阻抗理论进行比较.最后制作并加工了一副加脊TEM发射、接受天线,给出了测试的E面和H面方图.5.利用取样示波器,脉冲 源和两个TEM喇叭天线在暗室对目标模型的脉冲散射进行实验.用反卷积对目标的脉冲响应进行还原. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzcljs200707044.aspx 下载时间：2010年4月23日