基于HFSS的喇叭天線的建模與仿真

梁 龍，翟守忠，李富偉

（長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012）

基于HFSS的喇叭天線的建模與仿真

梁 龍，翟守忠，李富偉

（長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012）

利用電磁場仿真軟件HFSS，實現(xiàn)用于K波段2種喇叭天線的建模和仿真，從而分析得出2種喇叭天線的性能，并通過實驗進(jìn)行驗證。

HFSS；建模仿真；喇叭天線；性能參數(shù)

0 前 言

HFSS電磁場仿真軟件是Ansoft公司開發(fā)的應(yīng)用切向矢量有限元法來求解任意三維射頻器件的電磁場分布的軟件，仿真后可直接得到特征阻抗、傳播系數(shù)、S參數(shù)、輻射場、天線方向圖、駐波比、增益等結(jié)果。HFSS能進(jìn)行全面的全參數(shù)化設(shè)計，從幾何結(jié)構(gòu)、材料特性到分析、控制及所有后期處理，具有強大的參數(shù)化三維建模能力和高性能的圖形能力，大大節(jié)省了工程師的設(shè)計時間。

喇叭天線是一種廣泛應(yīng)用于軍事和民用的微波天線，其結(jié)構(gòu)簡單、頻帶較寬、功率容量大、調(diào)整與使用方便。合理地選擇喇叭尺寸和形狀，可以取得良好的輻射特性，包括相當(dāng)尖銳的主瓣、較小副瓣、較高的增益及小的駐波比。本文則通過HFSS V10分別對角錐喇叭和圓錐喇叭尺寸進(jìn)行計算并建模、仿真，分析得出各個喇叭的性能參數(shù)。

1 模型的建立

（1）標(biāo)準(zhǔn)增益角錐喇叭的設(shè)計原則。

增益G為：

設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭時，RH＝RE，即：

則驗證條件為：

其中，主要的設(shè)計參數(shù)為喇叭口徑尺寸E面口徑尺寸DE和長度RE，H面口徑尺寸DH和長度RH。

（2）對于圓錐喇叭天線的設(shè)計原則。

增益最大處為：

則E面和H面主瓣寬度近似：

增益為：

其中，Rop是增益最大值時圓錐喇叭的長度，D為口徑尺寸，口徑效率：v≈0.5。

同時設(shè)置材料特性，定義端口，建立輻射面，設(shè)置邊界條件和激勵。建立模型如圖1，圖2所示。

圖1 角錐喇叭模型（A模型）

圖2 圓錐喇叭模型（B模型）

2 模型仿真

通過HFSS軟件仿真，對仿真出的2種喇叭天線模型分別計算駐波比、增益和方向圖等參數(shù)，分析喇叭天線的性能。

（1）駐波比曲線。天線系統(tǒng)中，天線與設(shè)備配接是否良好，用駐波比來衡量。其是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1到無窮大之間。駐波比為1時，表示完全匹配；駐波比為無窮大時，表示全反射，完全失配。在20GHz中心頻率時，A模型駐波比為1.17，如圖3所示，B模型駐波比為1.27，如圖4所示。

圖3 A模型駐波比曲線

圖4 B模型駐波比曲線

（2）增益曲線。天線增益即用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，是在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。增益曲線見圖5、圖6。A模型最大增益為14.15dB，B模型最大增益為16.5dB。

（3）方向圖。即是表征天線輻射特性（場強、振幅、相位、極化）與空間角度關(guān)系的圖形。從方向圖可以得到波瓣寬度，其實指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度。天線的方向性主要由主瓣寬度確定，主瓣寬度愈小，說明天線輻射能量越集中，即接受能力愈強，定向作用和方向性也越強。而方向圖中副瓣電平越低，表明天線在不需要方向上輻射的能量越弱，即在這些方向?qū)﹄s散波的抑制能力更強，抗干擾性能更優(yōu)越。A，B模型的方向圖見圖7，圖8。

圖5 A模型增益

圖6 B模型增益

圖7 A模型方向

通過仿真結(jié)果可以得出，在中心頻率20GHz，掃頻范圍±5GHz內(nèi)，模型A相比模型B主瓣更加凸出，駐波比更??；而模型B的增益強度高，方向性優(yōu)于模型A，但有很大的副瓣，抗干擾性不強。

圖8 B模型方向

3 結(jié) 論

通過對2種喇叭天線的軟件仿真，分析得出2種喇叭天線的性能參數(shù)。在實驗室模擬實驗裝置下，用矩形BJ－260波導(dǎo)腔體、工作頻率為23GHz的微波收發(fā)裝置測試?yán)忍炀€，用數(shù)據(jù)采集卡采集微波傳感器信號并且在Labview上顯示波形（見圖9、圖10）。由于在實驗室電磁波傳輸距離較短，且存在較大的電磁干擾，A模型的信號波形明顯優(yōu)于B模型喇叭，同時也說明HFSS軟件是進(jìn)行天線設(shè)計研究的一個非常有效和可靠的工具。

圖9 A模型采集波形

圖10 B模型采集波形

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2011－09－13）

梁 龍（1986－），男，甘肅慶陽人，在讀碩士，研究方向為機械制造及理論。