基于HFSS的喇叭天线的建模与仿真

2012-11-17翟守忠李富伟

采矿技术 2012年1期

关键词：驻波比喇叭增益

梁龙，翟守忠，李富伟

（长沙矿山研究院，湖南长沙 410012）

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）

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。

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：

设计为标准增益喇叭时，RH＝RE，即：

则验证条件为：

其中，主要的设计参数为喇叭口径尺寸E面口径尺寸DE和长度RE，H面口径尺寸DH和长度RH。

（2）对于圆锥喇叭天线的设计原则。

增益最大处为：

则E面和H面主瓣宽度近似：

增益为：

其中，Rop是增益最大值时圆锥喇叭的长度，D为口径尺寸，口径效率：v≈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。

图1 角锥喇叭模型（A模型）

图2 圆锥喇叭模型（B模型）

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）驻波比曲线。天线系统中，天线与设备配接是否良好，用驻波比来衡量。其是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。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20GHz中心频率时，A模型驻波比为1.17，如图3所示，B模型驻波比为1.27，如图4所示。

图3 A模型驻波比曲线

图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14.15dB，B模型最大增益为16.5dB。

（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3dB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。而方向图中副瓣电平越低，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，抗干扰性能更优越。A，B模型的方向图见图7，图8。

图5 A模型增益

图6 B模型增益

图7 A模型方向

通过仿真结果可以得出，在中心频率20GHz，扫频范围±5GHz内，模型A相比模型B主瓣更加凸出，驻波比更小；而模型B的增益强度高，方向性优于模型A，但有很大的副瓣，抗干扰性不强。

图8 B模型方向

3 结论

通过对2种喇叭天线的软件仿真，分析得出2种喇叭天线的性能参数。在实验室模拟实验装置下，用矩形BJ－260波导腔体、工作频率为23GHz的微波收发装置测试喇叭天线，用数据采集卡采集微波传感器信号并且在Labview上显示波形（见图9、图10）。由于在实验室电磁波传输距离较短，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，同时也说明HFSS软件是进行天线设计研究的一个非常有效和可靠的工具。