基于HFSS的波导缝隙阵的仿真设计院系物
基于HFSS的波导缝隙阵的仿真设计院系物[20200406140334]
摘 要
缝隙天线是由金属面上的缝隙构成的天线。波导裂缝阵列天线由于其体积小、重量轻、口径效率高、功率容量大和容易实现低副瓣及超低副瓣等优点，在机载火控雷达、导弹导引头等方面有着极为广泛的应用。波导上的缝隙随着其切割位置的不同构成了不同形式的缝隙。经常使用的缝隙有开在波导窄边的倾斜缝隙，开在波导宽边的纵向缝隙、横向缝隙以及开在波导宽边中心线上到倾斜缝隙，它们既可以是谐振式的，也可以是非谐振式的。由于这些缝隙均切割表面电流，因而将向外部空间辐射能量，对这些缝隙的个数、位置、尺寸、排列进行精心选择，就能产生各种实用的天线。
本文中，我们利用HFSS软件进行仿真，对天线做了大量优化，在此基础上我们提出了一款工作于9.5GHz的波导缝隙阵天线，通过对波导开缝，我们提出了16阵元的波导缝隙天线，这样有效的缩小了天线的尺寸，同时，对开槽缝隙的各个参数的优化仿真，比如缝隙的长宽宽，让天线达到我们所需要的功能特性。同时，对缝隙天线的各个参数的优化仿真，比如缝隙的长宽高，让天线达到我们所需要的功能特性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:波导缝隙阵HFSS仿真设计
目 录
1.绪论 1
1.1 研究意义和背景 1
1.2 论文章节安排 2
2. 天线基本理论 3
2.1天线基本参量 3
2.2 波瓣图 4
2.3波束范围或波束立体角 6
2.4天线效率 7
2.5 天线增益 8
2.6 输入阻抗 9
3. 波导缝隙阵天线的基本理论 11
3.1 波导缝隙阵天线研究背景及意义 11
3.2 波导缝隙阵概述 12
3.3 波导缝隙阵天线的构成 12
3.4 缝隙阵天线的设计原理 12
4. 波导缝隙阵天线的仿真与优化 15
4.1 Ansoft HFSS高频仿真软件介绍 15
4.2仿真步骤流程图 16
4.3波导缝隙阵天线的设计 17
4.4波导缝隙阵天线的仿真优化 17
5. 总结 23
参考文献 24
致谢 25
1.绪论
1.1 研究意义和背景
天线，众所周知，是通信电路中用来发送信号和接收信号的关键元器件和组成部分。第一个天线系统是1886德国卡尔斯鲁厄大学工程学教授赫兹建立的，现如今是以一个完整的米波射电体系建立的天线系统。这个系统的一个发射天线是偶极天线终端负载，接收天线为谐振回路天线。近几十年，随着通信行业的发展，天线的各种出现在各个领域，由于小尺寸的缝隙贴片天线，制作简单的特点，已广泛应用于个人通信的领域。最近十几年，随着导弹、火箭、飞机等各种高速飞行器的发展，飞行器天线的研究受到了前所未有的重视，同时也对天线系统提出了更高的要求。矩形波导缝隙阵天线在这些需要窄波束或赋性波束的微波通信和雷达系统中获得了广泛应用。特别是它具有体积小、重量轻、口径效率高、宽角副瓣低等特点，因此成为了一种重要的天线形式，在机载预警雷达、机载气象雷达、导弹导引头雷达以及各种成像雷达中得到了广泛的应用。
1.2论文章节安排
如今，随着通信行业的发展，各种各样的天线出现在各个领域。
波导缝隙天线具有尺寸小，易于集成，定向的优点，所以其应用前景非常广泛，尤其适用于无线电引信是积极的。。本文的主要内容就是对多频段微带天线的研究，具体的各章安排如下：
一：绪论，先简要的介绍了对波导缝隙阵天线的研究意义和背景以及对天线的研究现状做了分析。
二：主要介绍了天线的各个性能参数和定义各个指标参数的原理公式，判断天线性能好坏的各种指标。指标的各种基本参数，包括天线，波束范围，天线效率，天线增益和输入阻抗。
三：主要介绍了一款工作频率为9.5GHz的波导缝隙阵天线。
四：结束与展望。
2. 天线基本理论
天线众所周知，是通信电路中用来发送信号和接收信号的关键元器件和组成部分。如今所建立的天线系统是一个完整的米波射电波段系统。这个系统的一个发射天线是偶极天线终端负载，接收天线为谐振回路天线。在信息化高速发展的今天，随着通信行业的发展，各种各样的天线出现在各个领域，由于微带贴片天线尺寸小，制作简单的特点，已被广泛用于个人通信系统。本文中所介绍的天线就是在芯片上集成设计的。
我们设计人工磁导体结构，就是为了优化天线的各个性能，而天线的性能是从它的各个参数反应表现出来的，这一章，我们主要介绍天线的各个性能参数以及其表达的含义。当然，在我们设计天线的时候，就需要尽可能的使天线的性能达到最优，这样在人工磁导体的辅助作用下，天线的增益可以极大的增加，天线的性能可以极大的优化[5]。
2.1天线基本参量
我们经常说到的天线就是在电路系统中的一个元器件，它将自由空间存在的电磁波和导行波电磁波进行相互转化。天线实现了电子和光子之间的相互转化。天线的最基本原理就是电荷加或减速产生辐射。辐射原理的公式如下：
(2.1)
上面的公式中，I为时变电流，L为电流源的长度，等号的右边电荷用Q来表示，它的单位是库伦，用C来表示，这里用v来表示每个电荷的速度随时间变化的快慢，即加速度。根据上面的公式，我们可以知道，点电荷加速度产生的辐射和电流变化产生的辐射其实是一样的。但是在不同的条件下，我们选取研究的侧重点不同，电路瞬时状态简谐振荡和稳定状态简谐振荡的条件下，分别研究电荷运动的方向和电流。天线产生电磁波的方向和天线中电荷运动的方向成90度角，IL（或Qv）的平方越大天线在空间中产生的电磁波的能量越大[6]。
有的通信设备中，有发射天线和接收天线两个器件，但很多时候，一根天线同时拥有这两种功能。当天线用于发射电磁波或者电磁能量的时候，它将电路中产生的电能转化成在其表面传播的导行波再转化成在自由空间传播的电磁波；当天线用于接收电磁波或者电磁能量的时候，自由空间中传播的电磁波通过天线变化为在它上面传播的导行波，再将信号传回给电路系统。这就说明，天线是两种媒介中电磁波传播的纽带，是无线通信电路中必不可少的元器件。
因为天线在一个通信电路系统中也是一个元器件，所以在天线也会出现一定的阻抗特性，这里有一个辐射电阻的概念Rr，就是把天线和它的传输线看成一个电路部分其呈现出的电阻特性。这个电阻的一个重要特点就是分离于天线结构的各个阻抗，仅仅和自由空间的耦合相关联。
天线在发射信号时，其所发射的能量被空间中的各种物体所吸收（如树木、建筑物、空气流动等等）。由于天线自身有一定的阻抗特性，并且在空间中存在着各种电磁波，这些电磁波在天线上产生电磁辐射，就会使天线的温度升高发热。
2.2 波瓣图
所谓的天线辐射方向图，由于图形绘画出来非常像花的花瓣，所以我们也叫做天线辐射波瓣图，很多情况下，为了方便我们简单的叫做天线方向图，就是在一定的距离天线的位置上，天线辐射能量的场随球坐标系的角坐标( , )分布的图形。通常情况下，波瓣图由三维球坐标表示，是球坐标 和 的函数的三维量，它的图形主要是描述天线的电磁场或者功率。我们一般分析研究天线在远场区的波瓣图。其中，波瓣图分为：场强波瓣图、功率波瓣图和相位波瓣图，它们分别用场强、辐射功率密度和相位表示。通常，波瓣图都是在极坐标下表示做出的，极坐标的两个变量角度和半径分别代表着天线向哪个方位辐射能量，和所辐射能量的电磁场的场强大小或者功率密度的大小[7]。
场的波瓣图既能在三维球坐标中表示，又能用包括主瓣轴的竖切面图来展现。通常情况下，主平面波瓣图就是两个相互成90度角的竖切面波瓣图，绕轴波瓣图仅仅需要一个剖面图。在某些情况下，为了更详细的和方便的表达的旁瓣电平，我们将成为主要的平面图案为笛卡尔坐标表示是一个对数标度。
我们所说的半功率波束宽度（HPBW，我们称之为半功率（宽度）或3分贝波束宽度）（或-3 dB波束宽度），就是一半功率波束宽度是位于所夹的波束范围的宽度。第一零点波束宽度（FNBW，beamwidth between first nulls），就是天线波瓣主瓣两边第一个零点所夹角度的波束的宽度。在此天线的波瓣平面图如图2.1所示，在图中，我们给出了各种波瓣和波瓣宽度的定义。
图2.1波瓣图
为了得到没有量纲的归一化电磁场的波瓣图，我们将电磁场的分量除以它的最大值，得出的波瓣图电磁场波瓣图的最大值就是1。在 和 角度所处的方向上，当 =(1/2)1/2=0.707的时候，会产生半功率电平。
摘 要
缝隙天线是由金属面上的缝隙构成的天线。波导裂缝阵列天线由于其体积小、重量轻、口径效率高、功率容量大和容易实现低副瓣及超低副瓣等优点，在机载火控雷达、导弹导引头等方面有着极为广泛的应用。波导上的缝隙随着其切割位置的不同构成了不同形式的缝隙。经常使用的缝隙有开在波导窄边的倾斜缝隙，开在波导宽边的纵向缝隙、横向缝隙以及开在波导宽边中心线上到倾斜缝隙，它们既可以是谐振式的，也可以是非谐振式的。由于这些缝隙均切割表面电流，因而将向外部空间辐射能量，对这些缝隙的个数、位置、尺寸、排列进行精心选择，就能产生各种实用的天线。
本文中，我们利用HFSS软件进行仿真，对天线做了大量优化，在此基础上我们提出了一款工作于9.5GHz的波导缝隙阵天线，通过对波导开缝，
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:波导缝隙阵HFSS仿真设计
目 录
1.绪论 1
1.1 研究意义和背景 1
1.2 论文章节安排 2
2. 天线基本理论 3
2.1天线基本参量 3
2.2 波瓣图 4
2.3波束范围或波束立体角 6
2.4天线效率 7
2.5 天线增益 8
2.6 输入阻抗 9
3. 波导缝隙阵天线的基本理论 11
3.1 波导缝隙阵天线研究背景及意义 11
3.2 波导缝隙阵概述 12
3.3 波导缝隙阵天线的构成 12
3.4 缝隙阵天线的设计原理 12
4. 波导缝隙阵天线的仿真与优化 15
4.1 Ansoft HFSS高频仿真软件介绍 15
4.2仿真步骤流程图 16
4.3波导缝隙阵天线的设计 17
4.4波导缝隙阵天线的仿真优化 17
5. 总结 23
参考文献 24
致谢 25
1.绪论
1.1 研究意义和背景
天线，众所周知，是通信电路中用来发送信号和接收信号的关键元器件和组成部分。第一个天线系统是1886德国卡尔斯鲁厄大学工程学教授赫兹建立的，现如今是以一个完整的米波射电体系建立的天线系统。这个系统的一个发射天线是偶极天线终端负载，接收天线为谐振回路天线。近几十年，随着通信行业的发展，天线的各种出现在各个领域，由于小尺寸的缝隙贴片天线，制作简单的特点，已广泛应用于个人通信的领域。最近十几年，随着导弹、火箭、飞机等各种高速飞行器的发展，飞行器天线的研究受到了前所未有的重视，同时也对天线系统提出了更高的要求。矩形波导缝隙阵天线在这些需要窄波束或赋性波束的微波通信和雷达系统中获得了广泛应用。特别是它具有体积小、重量轻、口径效率高、宽角副瓣低等特点，因此成为了一种重要的天线形式，在机载预警雷达、机载气象雷达、导弹导引头雷达以及各种成像雷达中得到了广泛的应用。
1.2论文章节安排
如今，随着通信行业的发展，各种各样的天线出现在各个领域。
波导缝隙天线具有尺寸小，易于集成，定向的优点，所以其应用前景非常广泛，尤其适用于无线电引信是积极的。。本文的主要内容就是对多频段微带天线的研究，具体的各章安排如下：
一：绪论，先简要的介绍了对波导缝隙阵天线的研究意义和背景以及对天线的研究现状做了分析。
二：主要介绍了天线的各个性能参数和定义各个指标参数的原理公式，判断天线性能好坏的各种指标。指标的各种基本参数，包括天线，波束范围，天线效率，天线增益和输入阻抗。
三：主要介绍了一款工作频率为9.5GHz的波导缝隙阵天线。
四：结束与展望。
2. 天线基本理论
天线众所周知，是通信电路中用来发送信号和接收信号的关键元器件和组成部分。如今所建立的天线系统是一个完整的米波射电波段系统。这个系统的一个发射天线是偶极天线终端负载，接收天线为谐振回路天线。在信息化高速发展的今天，随着通信行业的发展，各种各样的天线出现在各个领域，由于微带贴片天线尺寸小，制作简单的特点，已被广泛用于个人通信系统。本文中所介绍的天线就是在芯片上集成设计的。
我们设计人工磁导体结构，就是为了优化天线的各个性能，而天线的性能是从它的各个参数反应表现出来的，这一章，我们主要介绍天线的各个性能参数以及其表达的含义。当然，在我们设计天线的时候，就需要尽可能的使天线的性能达到最优，这样在人工磁导体的辅助作用下，天线的增益可以极大的增加，天线的性能可以极大的优化[5]。
2.1天线基本参量
我们经常说到的天线就是在电路系统中的一个元器件，它将自由空间存在的电磁波和导行波电磁波进行相互转化。天线实现了电子和光子之间的相互转化。天线的最基本原理就是电荷加或减速产生辐射。辐射原理的公式如下：
(2.1)
上面的公式中，I为时变电流，L为电流源的长度，等号的右边电荷用Q来表示，它的单位是库伦，用C来表示，这里用v来表示每个电荷的速度随时间变化的快慢，即加速度。根据上面的公式，我们可以知道，点电荷加速度产生的辐射和电流变化产生的辐射其实是一样的。但是在不同的条件下，我们选取研究的侧重点不同，电路瞬时状态简谐振荡和稳定状态简谐振荡的条件下，分别研究电荷运动的方向和电流。天线产生电磁波的方向和天线中电荷运动的方向成90度角，IL（或Qv）的平方越大天线在空间中产生的电磁波的能量越大[6]。
有的通信设备中，有发射天线和接收天线两个器件，但很多时候，一根天线同时拥有这两种功能。当天线用于发射电磁波或者电磁能量的时候，它将电路中产生的电能转化成在其表面传播的导行波再转化成在自由空间传播的电磁波；当天线用于接收电磁波或者电磁能量的时候，自由空间中传播的电磁波通过天线变化为在它上面传播的导行波，再将信号传回给电路系统。这就说明，天线是两种媒介中电磁波传播的纽带，是无线通信电路中必不可少的元器件。
因为天线在一个通信电路系统中也是一个元器件，所以在天线也会出现一定的阻抗特性，这里有一个辐射电阻的概念Rr，就是把天线和它的传输线看成一个电路部分其呈现出的电阻特性。这个电阻的一个重要特点就是分离于天线结构的各个阻抗，仅仅和自由空间的耦合相关联。
天线在发射信号时，其所发射的能量被空间中的各种物体所吸收（如树木、建筑物、空气流动等等）。由于天线自身有一定的阻抗特性，并且在空间中存在着各种电磁波，这些电磁波在天线上产生电磁辐射，就会使天线的温度升高发热。
2.2 波瓣图
所谓的天线辐射方向图，由于图形绘画出来非常像花的花瓣，所以我们也叫做天线辐射波瓣图，很多情况下，为了方便我们简单的叫做天线方向图，就是在一定的距离天线的位置上，天线辐射能量的场随球坐标系的角坐标( , )分布的图形。通常情况下，波瓣图由三维球坐标表示，是球坐标 和 的函数的三维量，它的图形主要是描述天线的电磁场或者功率。我们一般分析研究天线在远场区的波瓣图。其中，波瓣图分为：场强波瓣图、功率波瓣图和相位波瓣图，它们分别用场强、辐射功率密度和相位表示。通常，波瓣图都是在极坐标下表示做出的，极坐标的两个变量角度和半径分别代表着天线向哪个方位辐射能量，和所辐射能量的电磁场的场强大小或者功率密度的大小[7]。
场的波瓣图既能在三维球坐标中表示，又能用包括主瓣轴的竖切面图来展现。通常情况下，主平面波瓣图就是两个相互成90度角的竖切面波瓣图，绕轴波瓣图仅仅需要一个剖面图。在某些情况下，为了更详细的和方便的表达的旁瓣电平，我们将成为主要的平面图案为笛卡尔坐标表示是一个对数标度。
我们所说的半功率波束宽度（HPBW，我们称之为半功率（宽度）或3分贝波束宽度）（或-3 dB波束宽度），就是一半功率波束宽度是位于所夹的波束范围的宽度。第一零点波束宽度（FNBW，beamwidth between first nulls），就是天线波瓣主瓣两边第一个零点所夹角度的波束的宽度。在此天线的波瓣平面图如图2.1所示，在图中，我们给出了各种波瓣和波瓣宽度的定义。
图2.1波瓣图
为了得到没有量纲的归一化电磁场的波瓣图，我们将电磁场的分量除以它的最大值，得出的波瓣图电磁场波瓣图的最大值就是1。在 和 角度所处的方向上，当 =(1/2)1/2=0.707的时候，会产生半功率电平。
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