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ISSN 1671―2900 CN 43―1347/TD 采矿技术第12卷第1期Mining Technology-V01.

12,No.I 2012年1月Jan.2012 基于HFSS的喇叭天线的建模与仿真 梁龙,翟守忠,李富伟 (长沙矿山研究院, 湖南长沙410012) 摘要:利用电磁场仿真软件HFSS,实现用于K波段2种喇叭天线的建模和仿真,从而 分析得出2种喇叭天线的性能,并通过实验进行验证. 关键词:HFSS;

建模仿真;

喇叭天线;

性能参数 0前言 HFSS电磁场仿真软件是Ansoft公司开发的 应用切向矢量有限元法来求解任意三维射频器件的 电磁场分布的软件,仿真后可直接得到特征阻抗、传 播系数、s参数、辐射场、天线方向图、驻波比、增益 等结果.HFSS能进行全面的全参数化设计,从几 何结构、材料特性到分析、控制及所有后期处理,具 有强大的参数化三维建模能力和高性能的图形能 力,大大节省了工程师的设计时间. 喇叭天线是一种广泛应用于军事和民用的微波 天线,其结构简单、频带较宽、功率容量大、调整与使 用方便.合理地选择喇叭尺寸和形状,可以取得良 好的辐射特性,包括相当尖锐的主瓣、较小副瓣、较 高的增益及小的驻波比.本文则通过HFSS V10 分别对角锥喇叭和圆锥喇叭尺寸进行计算并建模、 仿真,分析得出各个喇叭的性能参数. 1模型的建立 (1)标准增益角锥喇叭的设计原则, 增益G为: G=0.51 4,1.rDHDE R =÷孕Re=丢孕 设计为标准增益喇叭时,R 一Re,即: De=o%DH 则验证条件为: R―H一虫!坠二盟 R E DP(DH―a) 其中,主要的设计参数为喇叭口径尺寸E面口径尺 寸Dz和长度R.,H面口径尺寸Dw和长度RH. (2)对于圆锥喇叭天线的设计原则. 增益最大处为: R.一焉_0.蝴(6) 则E面和H面主瓣宽度近似: 2伽5E4 60台o) 2伽5H4 70百A (8) 增益为: . G―A孙.s(孚)2 ㈨ … 其中,R.是增益最大值时圆锥喇叭的长度,D为口 径尺寸,口径效率:口≈0.5. 同时设置材料特性,定义端口,建立辐射面,设 置边界条件和激励.建立模型如图1,图2所示. 蜀图2圆锥喇叭模型(B模型 ㈨ ㈣ ㈣ ㈨ ㈣ 万方数据 采矿技术

2 r】l 2.I

2 r 2模型仿真 通过HFSS软件仿真,对仿真出的2种喇叭天 线模型分别计算驻波比、增益和方向图等参数,分析 喇叭天线的性能. (1)驻波比H 线.天线系统巾,天线与设备配 接是舌良好.用驻渡比来衡鼍.其是行波系数的倒 数,其值在1到无穷大之问.驻波比为1时.表示完 全匹配;

驻波比为无穷大时,表示全反射,完全失配. 在20 GHz中心频率时.A模型驻波比为1.1 7.如图 3所示.B模型驻波比为1.27.如图4所示. 黼躺 ±|:I!i!I.I k.I I.1.I i:f I};

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._ j一. 、,一V:A ￡ , ,~ 田4 B模型驻波比曲线 (2)增益曲线.天线增益即用来衡量天线朝一 个特定方向收发信号的能力,是在输入功率相等的 条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点 处所产生的信号的功率密度之比.增益的提高主要 依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度,而在水平面上 保持全向的辐射性能.增益曲线见图

5、图6.A模 型最大增益为14.15 dB,B模型最大增益为】6.5 dB. 《3)方向图.即是表征天线辐射特性(场强、振幅.相位、极化)与空间角度关系的图形.从方向图 可以得到波瓣宽度,其实指天线的辐射图中低于峰 值3 dB处所成夹角的宽度.天线的方向性主要由 主瓣宽度确定,主瓣宽度愈小.说明天线辐射能量越 集中,即接受能力愈强,定向作用和方向性也越强. 而方向图巾副瓣电平越低,表明天线在不需要方向 上辐射的能量越弱,即在这些方向对杂散波的抑制 能力更强,抗下扰性能更优越.A,B模型的方向图 见图7,图8. 图5 A模型增益 h:尹,、.. ^^州j ‰瓜'