基于HFSS的圆锥喇叭天线设计(3)

带由这些元件的组合频带决定。

1.2.7微波网络S参数

微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。微波网络理论在低频网络理论的基础上发展起来，低频电路分析是微波电路分析的一个特殊情况。 微波系统主要研究信号和能量两大问题：信号问题主要是研究幅频和相频特性；能量问题主要是研究能量如何有效地传输。微波系统是分布参数电路，必须采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。

一般地，对于一个网络有Y、Z和S参数可用来测量和分析，Y称导纳参数，Z称为阻抗参数，S称为散射参数；前两个参数主要用于集总电路，Z和Y参数对于集中参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但是在微波系统中，由于确定非TEM波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即S参数矩阵，它更适合于分布参数电路。 S参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。同N端口网络的阻抗和导纳矩阵那样，用散射矩阵亦能对N端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳矩阵反映了端口的总电压和电流的关系，而散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。

图1–9 二端口网络S参数

下面以二端口网络为例说明各个S参数的含义，如图所示。二端口网络有四个S参数，Sij

代表的意思是能量从j口注入，在i口测得的能量，

如S11定义为从 Port1口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值，

各参数的物理含义和特殊网络的特性如下： S11：端口2匹配时，端口1的反射系数； S22：端口1匹配时，端口2的反射系数；

S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数； S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数； 对于互易网络，有：S12＝S21；

对于对称网络，有：S11＝S22 对于无耗网络，有：（S11）^2＋（S12）^2＝1 ； S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大传输的效率越高，一般建议S21>0.7，即－3dB。

我们经常用到的单根传输线，或一个过孔，就可以等效成一个二端口网络，一端接输入信号，另一端接输出信号，如果以Port1作为信号的输入端口， Port2作为信号的输出端口，那么S11表示的就是回波损耗，即有多少能量被反射回源端（Port1），这个值越小越好，一般建议S11< 0.1，即－20dB。

S参数是从微波网络分析的角度定义的网络参数，而电压驻波比则是从波的特性的角度定义的参量，两者是有关系的。

我们先来了解一下什么叫驻波。当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。

电压驻波比（VSWR）是射频技术中最常用的参数，用来衡量部件之间的匹配是否良好。

要使天线辐射效率高，就必须使天线与馈线良好的匹配，也就是天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率，如图1-3所示

馈线ZoZin 图1–3 天线与馈线的匹配

设天线输入端的反射系数为?，则天线的电压驻波比为

回波损耗为

输入阻抗为

Lr??20lg?

VSWR=

1??1?? (1–18)

(1–19)

1?? (1–20) 1??当反射系数?=0时，VSWR=1，此时Zin?Zo，天线与馈线匹配，这意味着输入端功率均被送到天线上，即天线得到最大功率。

我们看到，其实S11与电压驻波比反映的都是天线与馈线的匹配状况。

Zin?Zo1.3喇叭天线基础知识

喇叭天线由逐渐张开的波导构成。如图2-1所示，逐渐张开的过渡段既可以保证波导与空间的良好匹配，又可以获得较大的口径尺寸，以加强辐射的方向性。喇叭天线根据口径的形状可分为矩形喇叭天线和圆形喇叭天线等。图2-1中，图（a）保持了矩形波导的窄边尺寸不变，逐渐展开宽边而得到H面扇形喇叭；图（b）保持了矩形波导的宽边尺寸不变，逐渐展开宽边而得到E面扇形喇叭；图（c）为矩形波导的宽边与窄边同时展开而得到角锥喇叭；图（d）为圆波导逐渐展开形成的圆锥喇叭。由于喇叭天线是反射面天线的常用馈源，它的性能直接影响反射面天线的整体性能，因此喇叭天线还有很多其他的改进型。

图1–4 普通喇叭天线

1.3.1喇叭天线参数

下图显示出喇叭天线的一般几何关系

图1–5 喇叭天线一般几何关系

馈电波导可以是矩形或圆形的。图中w是矩形口径的宽度，a是圆形口径的半径．R称为斜径，从口径中心到波导与喇叭接口处的距离是轴长 L。 由馈电波导中的传输模式可求出喇叭口径面上场的振幅分布，其相位分布近似为平方律相差。设由顶点发出的是球面波，则斜径R与轴长L的差是

??R?R2?a2

2???a????R1?1????R?? ???222???a?aW?R?1??1?2????222R??2R8R??

用波长?去除?，得到平方律相差的无量纲常数S

(1–21)

WaS???

?8?R2?R?22 (1–22)

由于多数实用喇叭天线的半张角?0是小的，所以采用平方律相差近似。

1.3.2给定增益设计喇叭

下表中同时列出了以S作为参变数的圆锥喇叭渐变振幅和相位误差损失值。利用此表容易求得已知喇叭参数的增益，或已知（给定）增益设计喇叭天线。

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