矩形口径喇叭天线的仿真设计
矩形口径喇叭天线的仿真设计[20200406135741]
摘要
喇叭天线多适用于微波波段使用，在无线电通信中可以反射信号，因而作为通信过程中的中继站使用，在各种天线数据的测量中也可以作为标准进行校验。喇叭天线的实用价值和科研潜力已经越来越广泛地体现在人们的日常生活中。而要进一步发展矩形喇叭天线，就要对矩形喇叭天线进行深入细致的研究。
本文首先基于电磁场理论分析了矩形喇叭天线的口面场相位分布和振幅分布，然后得出了其口面场的表达式，最后再扩展到辐射场。主线是借助较为简单的H面扇形喇叭，得出矩形喇叭的场的一般结论。由喇叭天线的辐射特性可以在给定的要求下利用HFSS软件设计出最佳喇叭的模型，最后仍然用软件分析出的方向图、回波损耗等辐射特性检验出设计的喇叭符合要求。经过修改一系列参数后可以发现，之前设计的矩形喇叭天线模型符合实际的最佳喇叭要求，可以通过理论分析得出矩形喇叭天线模型。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:喇叭天线；矩形喇叭；电磁场理论；辐射特性；HFSS
目 录
1. 绪论1
1.1 天线根据基本辐射源的分类1
1.2 喇叭天线的研究背景1
1.3 喇叭天线的研究现状2
1.4 矩形喇叭天线的结构3
2. 喇叭天线的性能及参数5
2.1 矩形喇叭天线的工作原理5
2.2 矩形喇叭天线的场分布5
2.2.1 矩形喇叭天线的口面场相位分布6
2.2.2 矩形喇叭天线的口面场振幅分布8
2.2.3 矩形喇叭天线的辐射场分布9
2.3 喇叭天线的重要辐射特性9
2.3.1 方向图9
2.3.2 方向性系数和最佳喇叭11
2.3.3 辐射强度12
2.3.4 效率13
2.3.5 增益13
2.4 矩形喇叭天线的阻抗和匹配14
3. 喇叭天线仿真及测试分析16
3.1喇叭天线的参数设计16
3.2 矩形喇叭天线建模与仿真设计16
3.3 矩形喇叭天线测试分析19
4． 结语24
参考文献25
致谢261. 绪论
1.1 天线根据基本辐射源的分类
天线的品种极多，对它们可有多种分类方法。根据基本辐射元的三种形式，把主要天线分为三种基本类型。第一类是线天线，其基本辐射元是电流元，最基本的形式是对称振子和由对称振子组成的天线阵、环形天线、行波长导线天线及螺旋天线；第二类是缝天线，其基本辐射元是缝隙上的磁流元，最常见的是波导缝隙天线阵、微带贴片天线、微带缝隙天线和微带天线阵等；第三类是面天线或口径天线，其基本辐射元是口径面上的惠更斯元，最典型的是喇叭天线、抛物反射面天线和透镜天线。从应用的工作波段来看，这三类天线有所不同。线天线广泛应用于长、中、短波及超短波（米波和分米波）波段；缝天线和面天线则主要应用于波长更短的微波波段。当然，从根本上说，只有电流元是天线的基本辐射元[1]。本文主要针对喇叭天线中的矩形口径喇叭天线，使用HFSS软件进行仿真和优化。
1.2 喇叭天线的研究背景
喇叭天线通常工作于微波波段，从比较宽泛的角度来分属于面天线，应用的范围比较广泛，在无线电通信中可以反射信号，因而作为通信过程中的中继站使用，在各种天线数据的测量中也可以作为标准进行校验。天线的这种广泛应用已经持续了50多年，并且仍将不断满足人们在生活中的需求，正是这种需求推动了喇叭天线的不断向前发展[2]。
1964年，贝尔实验室建造了一架方向性极强的巨大矩形喇叭天线，地点选在美国新泽西州的克劳神福德山上。由于当时卫星通信并未投入使用多久，不同波段上不同温度的噪声导致通信质量不高，建造这架喇叭天线的目的就是查出噪声源，以便找到方法消除或者削弱这些噪声的影响。其间天线测量系统对两处波段的噪声束手无策，巧合的是，这两处的噪声温度都在大约3K左右。仔细研究之后对噪声的来源有了比较统一的结论并在权威学术期刊上发表，这篇题目是《4080MHz上额外天线温度的测量》的文章获得了1978年的诺贝尔物理学奖，揭示了宇宙背景辐射对卫星通信的影响，会在两个波段上产生3K左右的噪声[3] [4] [5]。
天线测量系统分析出来的噪声报告遭到了当时许多学者的质疑，原因是多方面的，当时的计算机并未发展到今天这般高效精确的程度，天线的测量系统也有许多不完善的地方。为了得到更精确的结论，1974年美国航空航天局（NASA）计划重新测量天线噪声，这次的测量工程更为庞大，得到了比上次更多更全面的数据。但是这次测量的结果与上次相比并没有任何变化[6]，唯一不同的只是得到了更为精确的结果而已，并且获得了2006年的诺贝尔物理学奖。
天线测量系统的实用价值和科研潜力已经在两次诺贝尔物理学奖的获得中凸显无疑。提高测量系统的准确性需要对矩形喇叭天线有深入的研究，不过科学家们一直都在怀疑矩形喇叭天线测量系统的噪声分析，对矩形喇叭天线重新分析与研究的重要性日益突显。
1.3 喇叭天线的研究现状
现在的矩形喇叭天线的一个重要组成部分是辐射计系统，而辐射计系统的核心技术是辐射计定标[7]。这种定标方式需要不断深入地研究以推动其发展，因为喇叭天线测量系统的精确程度就是由这种定标方式决定的。
现在的微波辐射计包括地基、空基、星基等各个种类。各种微波辐射计对定标有不同的要求。地基微波辐射计的定标由于具有工作条件较好、可以中断定标和工作环境比较稳定等优点，在所有平台定标中占有重要地位，通常采用两个定标负载分别作为高温源和低温源，前者处于正常温度下，后者由液氮冷却保持低温。星基辐射计采用的定标方法有所不同：先在地面上定标，然后在运行时在星上定标，其目的是保证星基辐射计可以稳定地在太空中工作，最后是绝对定标和类比定标。地面定标是一种利用辐射计在地面上测量的数据定标的方法；而星上定标同样需要高温和低温两个定标源，只不过这里前者换成了温度恒定的加热微波吸收体，后者换成了“冷空”。辐射计周期性地从两个定标源接收它们发出的信号，并且利用它们完成定标。星上定标有许多工作要做，比如要探测出高温定标源的成分，低温定标源的色温等等。星上定标有许多地方需要注意，喇叭天线的工作口面和方向图的副瓣对测量系统精度会产生影响。
毫无疑问，辐射计定标工作波段的扩展（已经到了毫米波和亚毫米波段），推动了星载微波辐射计的快速发展。扩展到毫米波和亚毫米波的辐射计定标对大气测量起到的作用非常重要，它不仅可以进行天文观测，还可以进行对大气的臭氧、温度和湿度的探测。比如说，Aqua航天器上装载的AMSU-A(全称是Advanced Microwave Sounding Unit A，作用是为了探测大气的温度)和HSB(全称是Humidity Sounder for Brazil)，前者的频率范围是23-89GHz，后者的频率范围是150-183GHz[8]。
提高定标方程的精确性能够提高辐射计定标的精度，从而能够满足对矩形口径喇叭天线越来越高的要求。为了提高定标方程的精确性，国际上采用的一般做法是：采用基本定标后，接着进行“类比定标”和“绝对定标”。“类比定标”采用的类比数据来源于其他微波辐射计的测量值。而“绝对定标”则是一种采用真实目标进行整体定标的定标方法，这里的真实目标可以是天线反射面，“类比定标”可以用于校正天线交叉极化伪辐射的影响和方向图。
现在，黑体定标源基本上已成为国际上提高定标设备精度的研究工作。研究工作基于哈迪定标原型，一系列改善方案已由科学家们陆续提出：比如说向下或向侧面辐射的定标负载，由华中理工大学微波遥感室研制；测量误差可减小到0.2%以内的黑体定标源，它的发射率范围为52.5-78.3GHz，由俄罗斯研制；高低温可变定标源，由中科院低温中心和中国航天工业总公司一起研究，等等。辐射计定标法要适应各种定标系统的要求，因此已经成为国际研究目标的重中之重。
1.4 矩形喇叭天线的结构
矩形口径喇叭天线主要包含两个部分：一个是波导部分，横截面可以有不同的形状（对于矩形口径喇叭天线是必需矩形的），另一个是工作口面部分，也就是俗称的喇叭。
天线一般都是通过馈线和发射机相连的，对于矩形口径喇叭天线，这里的馈线就是波导部分，将能量和信号提供给喇叭天线。
矩形波导中能够传输的模式（或者波形）通常用TEmn表示, m是指电场在波导中较宽的一条边上分布的半波长个数, n是指电场在波导中较窄的一条边上分布的半波长个数, m,n不能同时为0,否则会导致磁场强度 成为一个常数，这样波导内就没有电磁波存在了，但两个下标m,n中间可以有一个是0。如图1.4.1所示，分别为TE10、TE01、TEmn在波导中的模式分布图，而电场在z方向为行波分布。
摘要
喇叭天线多适用于微波波段使用，在无线电通信中可以反射信号，因而作为通信过程中的中继站使用，在各种天线数据的测量中也可以作为标准进行校验。喇叭天线的实用价值和科研潜力已经越来越广泛地体现在人们的日常生活中。而要进一步发展矩形喇叭天线，就要对矩形喇叭天线进行深入细致的研究。
本文首先基于电磁场理论分析了矩形喇叭天线的口面场相位分布和振幅分布，然后得出了其口面场的表达式，最后再扩展到辐射场。主线是借助较为简单的H面扇形喇叭，得出矩形喇叭的场的一般结论。由喇叭天线的辐射特性可以在给定的要求下利用HFSS软件设计出最佳喇叭的模型，最后仍然用软件分析出的方向图、回波损耗等辐射特性检验出设计的喇叭符合要求。经过修改一系列参数后可以发现，之前设计的矩形喇叭天线模型符合实际的最佳喇叭要求，可以通过理论分析得出矩形喇叭天线模型。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:喇叭天线；矩形喇叭；电磁场理论；辐射特性；HFSS
目 录
1. 绪论1
1.1 天线根据基本辐射源的分类1
1.2 喇叭天线的研究背景1
1.3 喇叭天线的研究现状2
1.4 矩形喇叭天线的结构3
2. 喇叭天线的性能及参数5
2.1 矩形喇叭天线的工作原理5
2.2 矩形喇叭天线的场分布5
2.2.1 矩形喇叭天线的口面场相位分布6
2.2.2 矩形喇叭天线的口面场振幅分布8
2.2.3 矩形喇叭天线的辐射场分布9
2.3 喇叭天线的重要辐射特性9
2.3.1 方向图9
2.3.2 方向性系数和最佳喇叭11
2.3.3 辐射强度12
2.3.4 效率13
2.3.5 增益13
2.4 矩形喇叭天线的阻抗和匹配14
3. 喇叭天线仿真及测试分析16
3.1喇叭天线的参数设计16
3.2 矩形喇叭天线建模与仿真设计16
3.3 矩形喇叭天线测试分析19
4． 结语24
参考文献25
致谢261. 绪论
1.1 天线根据基本辐射源的分类
天线的品种极多，对它们可有多种分类方法。根据基本辐射元的三种形式，把主要天线分为三种基本类型。第一类是线天线，其基本辐射元是电流元，最基本的形式是对称振子和由对称振子组成的天线阵、环形天线、行波长导线天线及螺旋天线；第二类是缝天线，其基本辐射元是缝隙上的磁流元，最常见的是波导缝隙天线阵、微带贴片天线、微带缝隙天线和微带天线阵等；第三类是面天线或口径天线，其基本辐射元是口径面上的惠更斯元，最典型的是喇叭天线、抛物反射面天线和透镜天线。从应用的工作波段来看，这三类天线有所不同。线天线广泛应用于长、中、短波及超短波（米波和分米波）波段；缝天线和面天线则主要应用于波长更短的微波波段。当然，从根本上说，只有电流元是天线的基本辐射元[1]。本文主要针对喇叭天线中的矩形口径喇叭天线，使用HFSS软件进行仿真和优化。
1.2 喇叭天线的研究背景
喇叭天线通常工作于微波波段，从比较宽泛的角度来分属于面天线，应用的范围比较广泛，在无线电通信中可以反射信号，因而作为通信过程中的中继站使用，在各种天线数据的测量中也可以作为标准进行校验。天线的这种广泛应用已经持续了50多年，并且仍将不断满足人们在生活中的需求，正是这种需求推动了喇叭天线的不断向前发展[2]。
1964年，贝尔实验室建造了一架方向性极强的巨大矩形喇叭天线，地点选在美国新泽西州的克劳神福德山上。由于当时卫星通信并未投入使用多久，不同波段上不同温度的噪声导致通信质量不高，建造这架喇叭天线的目的就是查出噪声源，以便找到方法消除或者削弱这些噪声的影响。其间天线测量系统对两处波段的噪声束手无策，巧合的是，这两处的噪声温度都在大约3K左右。仔细研究之后对噪声的来源有了比较统一的结论并在权威学术期刊上发表，这篇题目是《4080MHz上额外天线温度的测量》的文章获得了1978年的诺贝尔物理学奖，揭示了宇宙背景辐射对卫星通信的影响，会在两个波段上产生3K左右的噪声[3] [4] [5]。
天线测量系统分析出来的噪声报告遭到了当时许多学者的质疑，原因是多方面的，当时的计算机并未发展到今天这般高效精确的程度，天线的测量系统也有许多不完善的地方。为了得到更精确的结论，1974年美国航空航天局（NASA）计划重新测量天线噪声，这次的测量工程更为庞大，得到了比上次更多更全面的数据。但是这次测量的结果与上次相比并没有任何变化[6]，唯一不同的只是得到了更为精确的结果而已，并且获得了2006年的诺贝尔物理学奖。
天线测量系统的实用价值和科研潜力已经在两次诺贝尔物理学奖的获得中凸显无疑。提高测量系统的准确性需要对矩形喇叭天线有深入的研究，不过科学家们一直都在怀疑矩形喇叭天线测量系统的噪声分析，对矩形喇叭天线重新分析与研究的重要性日益突显。
1.3 喇叭天线的研究现状
现在的矩形喇叭天线的一个重要组成部分是辐射计系统，而辐射计系统的核心技术是辐射计定标[7]。这种定标方式需要不断深入地研究以推动其发展，因为喇叭天线测量系统的精确程度就是由这种定标方式决定的。
现在的微波辐射计包括地基、空基、星基等各个种类。各种微波辐射计对定标有不同的要求。地基微波辐射计的定标由于具有工作条件较好、可以中断定标和工作环境比较稳定等优点，在所有平台定标中占有重要地位，通常采用两个定标负载分别作为高温源和低温源，前者处于正常温度下，后者由液氮冷却保持低温。星基辐射计采用的定标方法有所不同：先在地面上定标，然后在运行时在星上定标，其目的是保证星基辐射计可以稳定地在太空中工作，最后是绝对定标和类比定标。地面定标是一种利用辐射计在地面上测量的数据定标的方法；而星上定标同样需要高温和低温两个定标源，只不过这里前者换成了温度恒定的加热微波吸收体，后者换成了“冷空”。辐射计周期性地从两个定标源接收它们发出的信号，并且利用它们完成定标。星上定标有许多工作要做，比如要探测出高温定标源的成分，低温定标源的色温等等。星上定标有许多地方需要注意，喇叭天线的工作口面和方向图的副瓣对测量系统精度会产生影响。
毫无疑问，辐射计定标工作波段的扩展（已经到了毫米波和亚毫米波段），推动了星载微波辐射计的快速发展。扩展到毫米波和亚毫米波的辐射计定标对大气测量起到的作用非常重要，它不仅可以进行天文观测，还可以进行对大气的臭氧、温度和湿度的探测。比如说，Aqua航天器上装载的AMSU-A(全称是Advanced Microwave Sounding Unit A，作用是为了探测大气的温度)和HSB(全称是Humidity Sounder for Brazil)，前者的频率范围是23-89GHz，后者的频率范围是150-183GHz[8]。
提高定标方程的精确性能够提高辐射计定标的精度，从而能够满足对矩形口径喇叭天线越来越高的要求。为了提高定标方程的精确性，国际上采用的一般做法是：采用基本定标后，接着进行“类比定标”和“绝对定标”。“类比定标”采用的类比数据来源于其他微波辐射计的测量值。而“绝对定标”则是一种采用真实目标进行整体定标的定标方法，这里的真实目标可以是天线反射面，“类比定标”可以用于校正天线交叉极化伪辐射的影响和方向图。
现在，黑体定标源基本上已成为国际上提高定标设备精度的研究工作。研究工作基于哈迪定标原型，一系列改善方案已由科学家们陆续提出：比如说向下或向侧面辐射的定标负载，由华中理工大学微波遥感室研制；测量误差可减小到0.2%以内的黑体定标源，它的发射率范围为52.5-78.3GHz，由俄罗斯研制；高低温可变定标源，由中科院低温中心和中国航天工业总公司一起研究，等等。辐射计定标法要适应各种定标系统的要求，因此已经成为国际研究目标的重中之重。
1.4 矩形喇叭天线的结构
矩形口径喇叭天线主要包含两个部分：一个是波导部分，横截面可以有不同的形状（对于矩形口径喇叭天线是必需矩形的），另一个是工作口面部分，也就是俗称的喇叭。
天线一般都是通过馈线和发射机相连的，对于矩形口径喇叭天线，这里的馈线就是波导部分，将能量和信号提供给喇叭天线。
矩形波导中能够传输的模式（或者波形）通常用TEmn表示, m是指电场在波导中较宽的一条边上分布的半波长个数, n是指电场在波导中较窄的一条边上分布的半波长个数, m,n不能同时为0,否则会导致磁场强度 成为一个常数，这样波导内就没有电磁波存在了，但两个下标m,n中间可以有一个是0。如图1.4.1所示，分别为TE10、TE01、TEmn在波导中的模式分布图，而电场在z方向为行波分布。
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