基于HFSS的喇叭天线的建模与仿真

基于HFSS的喇叭天线的建模与仿真

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采矿技术第 1 2卷第 1期M i ng Te h ni c nolgy,V o . No.1 o 1 12,

21 0 2年 1月Jn o 2 a .2 1

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基于 HFS的喇叭天线的建模与仿真 S梁龙，守忠，富伟翟李(长沙矿山研究院，湖南长沙 40 1) 1 0 2摘要：用电磁场仿真软件 HF S实现用于 K波段 2种喇叭天线的建模和仿真，而利 S,从

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： S; HF S建模仿真；叭天线；能参数喇性

0前言 HF S电磁场仿真软件是 An ot司开发的 S sf公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、射场、线方向图、波比、益辐天驻增等结果。HF S能进行全面的全参数化设计，几 S从何结构、料特性到分析、制及所有后期处理，材控具有强大的参数化三维建模能力和高性能的图形能力，大节省了工程师的设计时间。大

其中，要的设计参数为喇叭 V径尺寸 E面口径尺主 1寸 D和长度 R,面口径尺寸 DH和长度 RH。 H

( )对于圆锥喇叭天线的设计原则。 2增益最大处为：R一 - O . ( ) 6

则 E面和 H面主瓣宽度近似：2 5仇 E≈ 6 0 D.

( ) 7

2 5≈ 7 H o

‘) 8

喇叭天线是一种广泛应用于军事和民用的微波天线，结构简单、带较宽、其频功率容量大、整与使调用方便。合理地选择喇叭尺寸和形状，以取得良可好的辐射特性，包括相当尖锐的主瓣、小副瓣、较较高的增益及小的驻波比。本文则通过 HF S V1 S 0分别对角锥喇叭和圆锥喇叭尺寸进行计算并建模、 仿真，析得出各个喇叭的性能参数。分

增益为：

G￣v 5 )= S (≈其中，砷是增益最大值时圆锥喇叭的长度，为口 R D 径尺寸，口径效率：≈ 0 5 .。同时设置材料特性，义端口，立辐射面，定建设置边界条件和激励。建立模型如图 1图 2示。

,所

1模型的建立 ( )标准增益角锥喇叭的设计原则。 1增益 G为：G一 0 51 4r . 1DH

DE

() 1

R一 H肇R一 譬设计为标准增益喇叭时，一R,: R即fW

( 2 )( 3 )( 4 )‘ ㈣ J …

图 1角锥喇叭模型 (模型 ) A

D一亏一 √ D则验证条件为：RE一

D E( DH一口)

图 2圆锥嘲叭模型 ( B模型 )

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采

矿

技术

2模型仿真 通过 HF S软件仿真，仿真出的 2种喇叭天 S对线模型分别计算驻波比、增益和方向图等参数，析分喇叭天线的性能。

能力更强，干扰性能更优越。A,抗 B模型的方向图见图 7图 8,。

( )驻波比曲线。天线系统中，线与设备配 1天接是否良好，驻波比来衡量。其是行波系数的倒用

数，其值在 1到无穷大之间。驻波比为 1时，示完表全匹配；波比为无穷大时，示全反射，全失配。驻表完 在 2 0GHz中心频率时，模型驻波比为 1 1,图 A .7如 3所示， B模型驻波比为 1 2,图 4所示。 .7如Th t/ q e ade

图 5 A模型增益

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G z H

T t/ q hea de

图 3 A模型驻波比曲线

图 6 B模型增益

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舳l 1 50一 71 2 .

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图 4 B模型驻波比曲线

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( )增益曲线。天线增益即用来衡量天线朝一 2

图 7 A模型方向

个特定方向收发信号的能力，在输入功率相等的是条件下，际天线与理想的辐射单元在空间同一点实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，在水平面上而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 1 . 5d, 4 1 B B模型最大增益为 1 . B 6 5d。

通过仿真结果可以得出，中心频率 2在 0GHz,

扫频范围±5GHz内，型 A相比模型 B主瓣更加 模凸出，波比更小；模型 B的增益强度高，向性驻而方优于模型 A,有很大的副瓣，干扰性不强。但抗0

( )方向图。即是表征天

线辐射特性 ( 3场强、振幅、位、相极化 )与空间角度关系的图形。从方向图可以得到波瓣宽度，实指天线的辐射图中低于峰其值 3d B处所成夹角的宽度。天线的方向性主要由

黔一

主瓣宽度确定，主瓣宽度愈小，明天线辐射能量越说集中，即接受能力愈强，向作用和方向性也越强。定 而方向图中副瓣电平越低，明天线在不需要方向表上辐射的能量越弱，在这些方向对杂散波的抑制即图 8 B模型方向 1\ 5口 .B O

, 5 10

基于HFSS的喇叭天线的建模与仿真

梁龙，:基于 HF S的喇叭天线的建模与仿真等 S

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3结论 通过对 2种喇叭天线的软件仿真，析得出 2分种喇叭天线的性能参数。在实验室模拟实验装置

下，用矩形 B一2 0波导腔体、作频率为 2 J 6工 3GHz 的微波收发装置测试喇叭天线，数据采集卡采集用微波传感器信号并且在 L b iw上显示波形 (图 a ve见 9图 1 )由于在实验室电磁波传输距离较短，、 0。且存在较大的电磁干扰， A模型的信号波形明显优于 B模型喇叭，时也说明 HF S软件是进行天线设同 S计研究的一个非常有效和可靠的工具。参考文献：[]康行键 .线原理与设计[ .京：防工业出版社，9 5 1天 M]北国 19:3 53 . 3 42

图 l B模型采集波形 0

[]林昌禄，在平 .线工程手册[]北京：子工业出版社， 2聂天 M .电2 01 0 .

E]谢拥军， . S 3等 HF S原理与工程应用[ .海：学出版社， M3上科2 0 . 0 9

[]刘克成 .宽带圆锥 TE喇叭天线的分析和设计[]微波 4超 M J.学报，9 5 1 1:15. 1 9,( ) 5- 3

。鲫眦咖临衄删《惭岍晒惦㈣晰咖 m m瞄 咖懈 嘶。¨图 9 A模型采集波形

(稿日期： O 10— 3收 2 1-91)

作者简介：梁龙 (9 6 )男，肃庆阳人，读硕士，究 18一，甘在研方向为机械制造及理论。

复杂空区下回采及空区处理技术研究等成果达到国际先进水平21 0 1年 1 0月 2 2日，由长沙矿山研究院和崇礼紫

金矿业有限责任公司合作完成的“杂空区下回复采及空区处理技术研究”“大矿体充填采矿技术试验研究”“、厚和爆破震动测试及地压监测研究” 3项等

科技成果，河北崇礼紫金矿业通过了现场鉴定。鉴定由中国黄金协会组织，专家教授组成的鉴定在 9名委员会认真听取了项目汇报，阅了鉴定材料，审并进行了现场查勘，为 3项科研成果在复杂群空区下认 回采工艺、区处理和地压管理等方面取得了重大突破，关技术已在崇礼紫金矿全面应用，最大限空相对度回收矿山资源及保护矿山周边环境具有重大示范作用，整体技术达到国际先进水平。 研究工作自 2 0 0 7年正式启动以来，紫金矿业集团给予了极大的支持与现场工业试验配合，为项目

的成功开展提供了重要平台；矿中心李向东副主任作为项目负责人精心策划、织方案论证和实施规采组划，主要参与人员周益龙、盛佳、强、李万兵、李永辉、冬、潘郑伯坤等进行了大量现场工业试验及室内研究工作，为项目进展提供了技术支撑；爱民副院长多次亲临现场指导，周科技发展部及采矿中心领导也给予了宝贵的指导意见，对项目的成功给予了充分的支持。 与会领导和专家充分肯定了长沙矿山研究院长期以来在矿山开采科研领域所取的优异成绩及作出 的巨大贡献，并殷切希望长沙矿山研究院站在更高的起点，继续创造出更多更优异的成绩，中国矿山为实现安全、效、保开采作出更大贡献！高环