基于HFSS的圆锥喇叭天线设计(4)

图1–6 圆锥喇叭的波瓣宽

增益与口径直径关系式

??D?G?20lg???GF (1–23)

???其中

GF

?ATL?PEL dB (1–24)

图1–7 增益与口径半径关系

我们能够获得已知增益使斜径最短的最佳圆锥喇叭。对于一定的斜径，当我们画出增益随口径半径变化的曲线时，会发现使增益最大的口径半径值不是一个固定值，而是一个较宽的范围。用增益为纵坐标，给出一组这样的曲线，由图可以看出，过增益最大值可以搭出一条对应于S=0.39的线。这就是GF=2.85dB(ATL+PEL)的最佳喇叭。

1.3.3根据参数要求计算尺寸参数

尺寸参数：矩形波导尺寸a×b=7.112mm×3.556mm ，波导端口至圆锥顶部长5mm ，天线中心频率f0=35GHz ，圆锥喇叭口径与高度自行设计。

要求：工作频率附近最大辐射方向上增益在20dB以上；S11小于-20dB。

??D?G?20lg???GF代入数据（令增益G=22dB;GF=2.85dB，S=0.39）由关系式，

???求得，喇叭开口直径d=47.68637mm 圆锥高度h=81.62395mm，

至此工程方法设计完成，求得待求圆锥喇叭尺寸参数，由此进入HFSS 15.0 进行仿真进一步分析其性能。

第二章 HFSS仿真喇叭天线

2.1 HFSS简介

经过二十多年的发展，HFSS以其无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。

HFSS – High Frequency Structure Simulator,Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,目前已被ANSYS公司收购;是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算：① 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；② 端口特征阻抗和传输常数；③ S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；④ 结构的本征模或谐振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。

HFSS是当今天线设计最流行的设计软件。

2.2 圆锥喇叭天线的仿真

工程方法设计完成，求得待求圆锥喇叭尺寸参数，由此进入HFSS 15.0 进行仿真进一步分析其性能。

2.2.1仿真步骤

本章利用HFSS软件设计了一个圆锥喇叭天线，此天线中心频率为35GHZ，采用矩形波导馈电结构。本节先介绍了如何在HFSS中实现对圆锥喇叭和矩形波导馈电结构的建模，然后介绍波端口激励源和辐射边界的设置，最后生成的仿真结果。

图 2 - 1 圆锥喇叭天线模型

1．建立新的工程 2．设置求解类型

（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。

（2）在弹出的Solution Type窗口中，选择Driven Modal。 3．设置模型单位

（1）在菜单栏中点击Modeler>Units。 （2）设置模型单位为毫米（下拉选择mm）。 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）创建圆锥喇叭

（a）在菜单栏中点击Draw>Cone。

（b）在坐标输入栏中输入圆锥中心点的坐标:

X:0.0 ,Y:0.0,Z:86.62395,按回车键结束输入。 （c）在坐标输入栏中输入圆锥下部半径（lower radius）： dX:23.84368,dY:0.0,dZ:0.0,按回车键结束输入。 （d）在坐标输入栏中输入圆锥上部半径（upper radius）： dX:-23.84368,dY:0.0,dZ:0.0,按回车键结束输入。 （e）在坐标输入栏中输入圆柱的高度：

dX:0.0,dY:0.0,dZ:-81.62395,按回车键结束输入。 （f） 在属性（Property)窗口中选择Attribute标签，将该圆柱的名字修改为Cone1。 （2）创建矩形波导

（a）在菜单栏中点击Draw>Box

（b）在坐标输入栏中输入长方体底面一顶点的坐标: X:1.778 ,Y:3.556,Z:0,按回车键结束输入。

（c）在坐标输入栏中输入长方体底面对角顶点的相对坐标: dX:3.556,dY:-7.112,dZ:0,按回车键结束输入。 （d）在坐标输入栏中输入长方体高度:

dX:0,dY:0,dZ:30,按回车键结束输入。（注：此高度任意，使上底面从喇叭内露出即可）

（e） 在属性（Property)窗口中选择Attribute标签，将该长方体的名字修改为Box1。 （3）组合圆锥以及波导

（a）利用快捷键Ctrl+A将模型全部选中。

（b）在菜单栏中点击Modeler>Boolean>Unite。 （c）命名为Cone1

6．创建辐射边界

（1）设置模型的默认材料

在工具栏中设置模型的下拉菜单中点击Select,在设置材料窗口中选择vacuum,点击OK完成。

（2）创建Air Box

（a）在菜单栏中点击Draw>Box。

（b）在坐标输入栏中输入长方体底面一顶点的坐标: X:30 ,Y:30,Z:0,按回车键结束输入。

（c）在坐标输入栏中输入长方体底面对角顶点的相对坐标: dX:-60,dY:-60,dZ:0,按回车键结束输入。 （d）在坐标输入栏中输入长方体高度: dX:0,dY:0,dZ:100,按回车键结束输入。 （e）命名为Box2 （3）设置边界条件

（a）在菜单栏中点击Edit>Select>Faces

（b）选择圆锥喇叭表面以及矩形波导前后左右四侧面（注：在选面前可右键单击Box2，弹出菜单中选View>Hide in Active View将其隐藏，方便选取）。

（c）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E （d）在设置窗口中，将边界命名为PerfE1,点击OK结束。 （4）设置辐射边界

（a）在菜单栏中点击Edit>Select>By Name。 （b）在对话框中选择Box2，点击OK结束。

（c）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Radiation。

（d）在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为Rad1,点击OK结束。

7．创建波端口

（a）在菜单栏中点击Edit>Select>Faces。 （b）单击选择矩形波导底面。

（c）在菜单栏中点击HFSS>Excitations>Assign>Wave Port （d）在Wave Port窗口的General标签中，将该窗口命名为1。 （e）其他标签页设置保持默认即可至结束。

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