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《基于卡塞格伦天线的椭球面天线的研究论文》-毕业论文设计(可

发布时间:2019-06-29 02:47 来源:未知 编辑:admin

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  本科毕业论文 基于卡塞格伦天线的椭球面 天线的研究 XXX 燕 山 大 学 2014年 6月 本科毕业论文 基于卡塞格伦天线的椭球面天线的研究 学 院: 理学院 专 业:10级电子信息科学与技术 学生 姓名: XXX 学 号: 9 指导 教师: XX 答辩 日期: 2014年6月25日 燕山大学毕业设计(论文)任务书 学院:理学院 系级教学单位:电子信息科学与技术系 学 号 9 学生 姓名 XXX 专 业 班 级 微波技术 题 目 题目名称 基于卡塞格伦天线的椭球面天线.理工类:工程设计 ( );工程技术实验研究型( ); 理论研究型( √ );计算机软件型( );综合型( )。 2.文管类( );3.外语类( );4.艺术类( )。 题目类型 1.毕业设计( ) 2.论文( √ ) 题目来源 科研课题( ) 生产实际( )自选题目( √ ) 主 要 内 容 (1)学习并熟练掌握HFSS软件的操作; (2)进行椭球面天线辐射特性的模拟,结合方向图和理论知识,对其与卡塞格伦天线的不同之处进行分析; (3)概括椭球面天线的优点与技术瓶颈,并提出可行改良方案。 基 本 要 求 (1)了解目前卡塞格伦天线的研究现状与设计方法; (2)利用HFSS软件进行卡塞格伦天线和椭球抛物面天线)数据分析,分析不同参数条件的不同影响,与预期结果进行比较。 参 考 资 料 [1]David M.Pozar.微波工程(第三版).周乐柱,吴德明译.北京:电子工业版社,2006, 32-37 [2] Warren L.Stutzman,Gary A.Thiele.天线版).北京:人民邮电出版社,2006,1-2 [3] Thomas A.Milligan.现代天线设计.北京:电子工业出版社,2012,8-10 周 次 1—4周 5—8周 9—12周 13—16周 17—18周 应 完 成 的 内 容 查阅文献资料,获取卡塞格伦天线的原理介绍和椭球面特性参数。 学习HFSS软件,创建天线模型,得到所设计天线的相关特性的模拟结果。 数据分析,将对椭球面天线的相关特性进行分析讨论。 开始毕业论文写作,基本完成论文的写作。 论文修改及答辩 指导教师:徐超 职称:讲师 2014年3月10日 系级教学单位审批: 年 月 日 Abstract 摘要 PAGE III 摘要 20-21世纪,从雷达技术到广播、手机卫星通讯,微波技术得到了广泛应用。为了达到更宽的带宽,天线的设计逐步向高频发展,各种各样的天线被应用到实践中,随着高性能计算方法及计算设备的快速发展,矩量法、有限元法、有限差分法等有效计算方法被应用到天线的设计中。这些方法的实际应用,不仅提高了天线的设计效率,而且大大降低了设计的成本。 首先,本文介绍了卡塞格伦天线的背景和特点,以及椭球面天线特点。 其次,介绍天线的求解原理和方法。天线的求解问题和所有电磁场问题一样,基于麦克斯韦方程组,进而求解电流元和磁流元的辐射场问题,再分析时变电磁场和求解天线问题的基本辐射单元—惠更斯元和基本缝隙辐射元,最后将基本辐射单元矢量相加,求得天线的辐射参数。 最后,本文介绍了运用HFSS软件进行天线仿真的情况,为了提高仿真效率,利用HFSS与HFSS-IE协同仿真,取得了理想仿真结果,证明了HFSS-IE的实用性,对于反射面天线的设计有一定的意义。软件仿真结果与理论期望值进行了对比,结果表明椭球面天线具有良好的聚焦效果。 关键词天线,卡塞格伦,椭球面,微波,聚焦 PAGE II Abstract In 20-21 century , microwave technology has been widely used in radar technology, broadcasting and mobile satellite communications. To achieve a wider bandwidth, the design of antenna are focused on higher frequency, and a variety of antennas are applied in practice. with the rapid development of high-performance computing methods and computing devices, matrix method, finite element method and finite difference method have been employed in the design process, which have not only improved the design efficiecy, but also reduced the cost of design. Firstly , the backgroud and the principle of the Cassegrain antenna are introduced in the paper, followed by the introduction of the characteristics of the ellipsoid antenna. Secondly, the basic principles and solving methods of the antenna are shown. Similar to the electromagnetic issues, the solution of the antenna is based on the Maxwells equations, followed by the solving problems about the radiation field of electric current element and magnatic current element. By analysis of the time-varying electromagnetic field and the basic radiation element, Huygens element and basic slot element, the parameters of the antenna radiation can be obtained just by the vector addition of the basic radiation element. Finally, the effect using HFSS antenna simulation software is described in the paper. In order to improve the simulation efficiency, HFSS and HFSS-IE are both employed to achieve a synergy simulation, which is meaningful to the design of antenna. The simulation results are compared with the theoretical analysis, which showed that the ellipsoid antenna has good focus effect . Keywords antenna, Cassegrain, ellipsoid, microwave, focus 目 录 TOC \o 1-3 \h \z \u HYPERLINK \l _Toc390955547 摘要 PAGEREF _Toc390955547 \h I HYPERLINK \l _Toc390955548 Abstract PAGEREF _Toc390955548 \h II HYPERLINK \l _Toc390955549 第1章 绪论 PAGEREF _Toc390955549 \h 1 HYPERLINK \l _Toc390955550 1.1 卡塞格伦天线和椭球面天线介绍 PAGEREF _Toc390955550 \h 1 HYPERLINK \l _Toc390955551 1.1.1 卡塞格伦天线背景 PAGEREF _Toc390955551 \h 1 HYPERLINK \l _Toc390955552 1.1.2 卡塞格伦天线特点 PAGEREF _Toc390955552 \h 2 HYPERLINK \l _Toc390955553 1.1.3 椭球面天线特点 PAGEREF _Toc390955553 \h 3 HYPERLINK \l _Toc390955554 1.2 仿真软件概述 PAGEREF _Toc390955554 \h 3 HYPERLINK \l _Toc390955555 1.3 课题研究内容和论文结构安排 PAGEREF _Toc390955555 \h 3 HYPERLINK \l _Toc390955556 第2章 椭球面天线的基本理论 PAGEREF _Toc390955556 \h 5 HYPERLINK \l _Toc390955557 2.1 天线基本理论 PAGEREF _Toc390955557 \h 5 HYPERLINK \l _Toc390955558 2.2 有限元(Finite Element)法 PAGEREF _Toc390955558 \h 15 HYPERLINK \l _Toc390955559 2.3 椭球面与双曲面 PAGEREF _Toc390955559 \h 16 HYPERLINK \l _Toc390955560 2.4 椭球面天线设计思想 PAGEREF _Toc390955560 \h 18 HYPERLINK \l _Toc390955561 2.5 本章小结 PAGEREF _Toc390955561 \h 20 HYPERLINK \l _Toc390955562 第3章 椭球面天线的设计与仿真 PAGEREF _Toc390955562 \h 21 HYPERLINK \l _Toc390955563 3.1 天线馈源建模仿真 PAGEREF _Toc390955563 \h 21 HYPERLINK \l _Toc390955564 3.2 HFSS与HFSS-IE联合仿真 PAGEREF _Toc390955564 \h 23 HYPERLINK \l _Toc390955565 3.3 天线仿真结果评价 PAGEREF _Toc390955565 \h 27 HYPERLINK \l _Toc390955566 3.3.1 天线性能参数评价 PAGEREF _Toc390955566 \h 27 HYPERLINK \l _Toc390955567 3.3.2 仿真结果与预期结果 PAGEREF _Toc390955567 \h 30 HYPERLINK \l _Toc390955568 3.3.3 仿真效率评价 PAGEREF _Toc390955568 \h 30 HYPERLINK \l _Toc390955569 3.4 本章小结 PAGEREF _Toc390955569 \h 31 HYPERLINK \l _Toc390955570 结论 PAGEREF _Toc390955570 \h 33 HYPERLINK \l _Toc390955571 参考文献 PAGEREF _Toc390955571 \h 35 HYPERLINK \l _Toc390955572 致谢 PAGEREF _Toc390955572 \h 37 HYPERLINK \l _Toc390955573 附录1 开题报告 PAGEREF _Toc390955573 \h 39 HYPERLINK \l _Toc390955574 附录2 文献综述 PAGEREF _Toc390955574 \h 43 HYPERLINK \l _Toc390955575 附录3 中期报告 PAGEREF _Toc390955575 \h 47 HYPERLINK \l _Toc390955576 附录4 中文译文 PAGEREF _Toc390955576 \h 48 HYPERLINK \l _Toc390955577 附录5 外文原文 PAGEREF _Toc390955577 \h 58 燕山大学本科生毕业设计(论文) 第1章 绪论 PAGE 6 PAGE 47 第1章 绪论 卡塞格伦天线和椭球面天线介绍 卡塞格伦天线世纪,英国物理学家 HYPERLINK /wiki/%E8%A9%B9%E5%A7%86%E6%96%AF%C2%B7%E5%85%8B%E6%8B%89%E5%85%8B%C2%B7%E9%BA%A6%E5%85%8B%E6%96%AF%E9%9F%A6 \o 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 詹姆斯·麦克斯韦建立一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程[[] J.C.Maxwell,A Treatise on Electricity and Magnetism[M].Dover, 1954,5-15.] [] J.C.Maxwell,A Treatise on Electricity and Magnetism[M].Dover, 1954,5-15. 1887年,赫兹为了验证麦克斯韦对于电磁波的预言,设计了第一个怪异的发射天线和一个环状接受天线[[] 沈亮.卫星导航定位系统中的螺旋天线[D].上海:上海大学硕士学位论文,2007:3-16.]。以后,人们相继设计出线天线和面天线。 [] 沈亮.卫星导航定位系统中的螺旋天线[D].上海:上海大学硕士学位论文,2007:3-16. (1)线天线 人们认为波长越长的电磁波,在传播的过程中衰减越小,因此,为了实现远距离通信,采用的都是波长在1000米以上的电磁波。由于大地中的镜像电流与天线中的电流相反[[] 丁红沙. 无线局域网中天线的研究与设计[D].重庆:重庆邮电大学硕士论文,2011:15-20.],所以,水平放置的天线辐射性能比较差。再加上水平极化波沿地面传播是衰减损耗比较大[[] [] 丁红沙. 无线局域网中天线的研究与设计[D].重庆:重庆邮电大学硕士论文,2011:15-20. [] 胡楚锋,周洲,李南京等. 森林植被衰减系数极化特征研究[J].西北工业大学学报,2012,30(1):1-3. [] 苏丽娟. 短波接收机前端跟踪选频滤波器的研究与实现[D].武汉:武汉理工大学硕士论文,2013:1-5. (2)面天线年代,由于微波电子管的发展,震荡源的频率被大幅提高,面状天线被大量开发出来[[] David M.Pozar. Microwave Engineering Fourth Edition[M].JohnWiley& [] David M.Pozar. Microwave Engineering Fourth Edition[M].JohnWiley&Sons, Inc.,2011,604-650. [] Manojit Pramanik Lihong V. Wang. Thermoacoustic and photoacoustic sens- ing of temperature[J]. ?Journal of Biomedical Optics,2009,14(5):2-6. 第二次世界大战期间,雷达的应用,促使人们对结构简单的聚焦反射面天线进行了大量的研究。远距离无线电通讯和高分辨率雷达要求天线具有高增益,而在微波波段的反射面天线dB的增益[[] 康行健.天线原理与设计[M].北京理工大学出版社,199 [] 康行健.天线原理与设计[M].北京理工大学出版社,1993:361-365. 上世纪70年代,随着通信技术的发展,无线信道拥挤,无线通信向高频和频率复用方向发展[[] M.T.Islam,N.Misran,M.N.Shakib等,Coplannar Waveguide Fed Micro- [] M.T.Islam,N.Misran,M.N.Shakib等,nation Technology Journal,2010,9(2): 367-370. []马金仓.适合高频波波纹喇叭的制造工艺[J].电子工艺技术,1989年02期:1-3. 卡塞格伦天线特点 相对于普通抛物面天线,它将馈源的辐射HYPERLINK /view/199787.htm方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式,这使天线的结构较为紧凑,HYPERLINK /view/228204.htm制作起来也比较方便[[]克劳斯.天线[M].电子工业出版社.2002:546-550.]。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线,而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近于常数[[]艾利奥特.天线理论与设计[M].国防工业出版社.1992:539-605.],因而空间衰耗对馈HYPERLINK /view/1031418.htm电器辐射 []克劳斯.天线[M].电子工业出版社.2002:546-550. []艾利奥特.天线理论与设计[M].国防工业出版社.1992:539-605. 图 SEQ 图 \* ARABIC 1 卡塞格伦天线 椭球面天线特点 椭球面天线是一种聚焦天线,目前对其研究较少,常应用于测量电磁材料特性参数、微波医疗设备等[[]肖辰飞,吕善伟,吴东梅等 []肖辰飞,吕善伟,吴东梅等.椭球反射面聚焦天线的设计和仿真[J].电子测量技术,2006,29(5):1-2. 仿真软件概述 在天线设计过程中,使用的软件是HFSS(High Frequent Structure Simulator)软件,二十多年来,HFSS具有仿真精度和可靠性、仿真速度快、方便易用、自适应网格剖分技术稳定成熟等特点,现今已成为高频工程项目设计的首选工具和行业标准。HFSS采用有限元法进行三维全电波仿真[[] HYPERLINK /Search.aspx?q=author:%E7%8E%8B%E8%90%8C \t _blank [] HYPERLINK /Search.aspx?q=author:%E7%8E%8B%E8%90%8C \t _blank 王萌?, HYPERLINK /Search.aspx?q=author:%E5%BC%A0%E7%8E%89 \t _blank 张玉, HYPERLINK /Search.aspx?q=author:%E6%A2%81%E6%98%8C%E6%B4%AA \t _blank 梁昌洪?. 有限元法与UTD结合计算机载天线方向图[J]. HYPERLINK /Journal/I-I1-DBKX-2005-03.htm \t _blank 电波科学学报,2005年02期:1-3. HFSS可为天线的设计提供全面的仿真帮助,精确计算天线的各种性能参数,包括三维远场/近场辐射方向图天线增益、天线阻抗、电压驻波比、轴比、S参数等。 课题研究内容和论文结构安排 对于天线的设计主要涉及天线的尺寸、结果、方向图以及驻波比等参数的分析。本文通过对天线结构的仿真与预计的结果进行对比,证明本设计的意义。 全文共分为3个章节,各个章节的内容如下: 第1章 绪论:在绪论中介绍了卡塞格伦天线和椭球面天线,概述了二者特点,并对仿线章 介绍天线的辐射原理和分析方法,卡塞格伦天线和椭球面天线的几何结构,以及相应结果给天线章 介绍椭球面天线设计与仿真结果,以及对解的评价。 第2章 椭球面天线章 椭球面天线的基本理论 天线基本理论 一、发射天线基本理论 在无线电系统中,天线是辐射或接收电磁波的装置,是至关重要的环节。在无线电发送端,天线把载有信息的导行电磁波转换为辐射电磁波;在接收端则相反,即把载有信息的辐射电磁波转换为导行电磁波[[]殷际杰,贾世楼.微波技术与天线[M].电子工业出版社,2004:219-222.],或者说是电压和电流。天线的理论的研究是首先研究发射天线所产生的辐射电磁波在空间的分布规律,求解发射天线的辐射场问题,属于电磁场理论中由已知场分布求其场在空间分布问题。至于接收天线问题,则是在研究发射天线的基础上,借助于电路理论中的互易定理建立天线发射与接受状态之间的关系而获得所需要的结果[[]樊振宏,沙侃,丁大志.天线收发互易原理的教学研究[J].电气电子教学学报,2010,32 []殷际杰,贾世楼.微波技术与天线[M].电子工业出版社,2004:219-222. []樊振宏,沙侃,丁大志.天线收发互易原理的教学研究[J].电气电子教学学报,2010,32(01):1-2. 1.麦克斯韦方程组 天线分析设计的基础是麦克斯韦方程组[[]陈方亮. 弯曲八木天线的矩量法分析与设计[D].南京:南京邮电大学硕士学位论文,2007:1-4.]。自 HYPERLINK /view/1055967.htm \t _blank 电磁感应现象被发现以来,人们逐渐认识到,变化的电场产生磁场,变化的磁场伴随着变化的电场。从此,对电和磁现象进行了深入理论分析,形成了完整、系统的 HYPERLINK /view/873602.htm \t _blank 电磁理论。其中,库仑定律,磁性定律,安培定律,法拉第电磁感应定律是最基本的电磁理论,给出了电磁现象的定量解释。麦克斯韦将这四个定理予以整理,得到麦克斯韦方程组。由麦克斯韦方程组可推断出变化的电磁场可以波的形式向空间传播,这一推断成为电磁波辐射理论的重要基础。 []陈方亮. 弯曲八木天线的矩量法分析与设计[D].南京:南京邮电大学硕士学位论文,2007:1-4. 麦克斯韦方程组其数学形式经过奥利弗·亥维赛和约西亚·吉布斯简化为由四个方程组成的如下方程组: (2-1) 辐射电场量的时谐表达式为: (2-2) 利用方程组中、、之间的如下关系: (2-3) 由以上三式可得时谐场麦克斯韦方程组为 (2-4) 麦克斯韦方程组在电磁学中占有重要地位,是求解电磁场问题的基础。 2.电流元、磁流元辐射场 电磁波是向空间传播的时变电磁场,它是由于电磁场的扰动引起的,但电荷沿着导体匀速运动的时候,不会产生辐射电磁波,只有当电荷沿着导体做往返做加速和减速运动的时候,才会形成辐射电磁波。天线辐射场的产生是基本单元的辐射场的叠加,对于基本辐射单元的理解,有助于对天线的求解。 (一)电流元 磁场的规律是电流元(current elemen)也被称为电偶极子。电流在其周围产生磁场,磁场的形式规律就是电流元产生磁场和该电流元的关系。所指的电流,是矢量线元,矢量的方向。电磁学中把很短相对于波长很短的一段电流I与导线长度L的乘积IL称为电流元。电流元不能孤立地存在,对于电流元的分析,首先毕由毕奥和萨法尔根据对电流的磁作用的实验结果分析得到的[[]张三慧.电磁学[M].北京:清华大学出版社,2009:244-250. []张三慧.电磁学[M].北京:清华大学出版社,2009:244-250. 直径为d,长度为l的一段载流导线,就可以认为是一个电流元,其中,dl波长,导线上电流I分布均匀,即导线上各处电流大小相等,相位相同。在球坐标系下,电流元在空间任一点辐射电场矢量如图2-1所示: X X Z Y O 图2-1 电流元辐射图 其中电流元磁失位表达式为: (2-5) 令 则有: (2-6) 对式(2-6)求旋度,来求解电流元产生的磁场,磁矢量旋度公式如下: (2-7) 其中, (2- = 8 \* Arabic 8) 容易推得磁场表达式如下: (2- 9) 分量形式表达式为: (2-10) 利用上面推得麦克斯韦方程组中磁场与电磁的关系(2-4): 推得 (2-11) 利用式(2-10)和(2-11)求得电场分量形式表达式如下: (2-12) 这样,求得了电流元的辐射电场和磁场表达式。 (二)磁流元 用代表磁流密度,代表虚拟磁荷密度,利用对偶定理,将电场与磁场量进行变换,关系如下: 代入电磁理论边界条件: 和 (2-13) 得: 和 (2-14) 利用前面结果(2-10)和(2-12)并结合对偶定理推导得: (2-15) (2-16) 由此,我们求得了电流元和磁流元的辐射电磁场表达式,电流元和磁流元作为最基本辐射单元,为研究复杂条件下的电磁场辐射问题奠定了基础。 3.分析时变电磁场问题的基本辐射元 电流元和磁流元对于电磁场的分析具有重要理论意义,同时也是分析电磁场问题的基础。但直接用电流元和磁流元去分析微波器件的电磁场分布问题,过于基础,也过于复杂。一般将惠更斯元和基本缝隙元作为分析电磁场问题的基本单元,减小计算量,降低问题复杂程度。 (一)基本口径面辐射源—惠更斯(Huygens)元 电流元、磁流元属于原场源,要分析喇叭天线、抛物面天线、椭球面天线等口径面天线,需要计算特定面上的电磁场—内场。把具有确定的内场分布的特定面称为口径面。从口径面中抽象出一边长远小于波长的面积元(可以看作平面),在此单元中具有均匀的内场分布,称为惠更斯元。同电流元和磁流元是分析线天线的基本辐射元一样,惠更斯元是分析口径面天线的基本单元。惠更斯元上,电场和磁场正交,且均匀分布,比值Z固定,即: (2-17) x x y z o 图2-2 惠更斯元 惠更斯元上面磁场可等效为一电流元,而电场可等效为一磁流元,此种等效的另一种说法是,一个场的边值问题的解可用另一个边值问题的解来代替。这样,可以将惠更斯元看作是平面上相互垂直的电流元和磁流元,惠更斯元参数的辐射场就是这两种辐射场的矢量叠加。 由惠更斯元上的场分布即可求出其相应的电波辐射场,然后将天线整个口径面上的惠更斯元进行积分,即可求出天线整个口径面的辐射场。惠更斯元产生的辐射场是横电磁波,即辐射场的电场和磁场方向与波的传播方向垂直,辐射场的强度与等效的电流元和磁流元的强度成正比,和惠更斯元的面积也成正比,辐射方向最强的方向是惠更斯元面元的法线方向。在同一方向上,惠更斯元辐射的电场强度E与距离的平方r2成反比关系,其辐射强度与方向的关系可用下式表示: [[]钟顺时. []钟顺时. 天线理论与技术[M]. 电子工业出版社,2011:220-300. 惠更斯元的辐射方向图如图2-3所示: 图2-3 惠更斯元辐射方向图 (二)基本缝隙辐射元 对于无限大理想导电平板上,一宽度极小,长度远小于对应波长的缝隙,就可以看作基本缝隙元。可以认为缝隙各点的电场大小和方向以及相位是均匀的,如图2-4: 无限大金属平板 无限大金属平板 时变信号馈电位置 d l 图2-4 基本缝隙元简图 由于电磁波的绕射问题,一般采用巴俾涅(Babinet’s)原理,根据基本缝隙与条形理想导体之间的关系,在馈源激励对偶的条件下,基本缝隙的辐射场可以由条形振子散射场获得。另一种方法是先求得缝隙互补的条形金属带辐射场,再利用电磁场的对偶原理,来求解基本缝隙产生的辐射场。 基本缝隙元和电流元辐射方向性相同,缝隙的子午面是辐射场的磁场平面,赤道面是电场平面。其辐射方向基本缝隙元是缝隙天线的基本组成单元,是对缝隙天线类分析研究的基础。 天线的求解过程中,将天线分解成有限个惠更斯元和基本缝隙元,并对各个惠更斯元和基本缝隙元求解,求解出惠更斯元和基本缝隙元后,将各个单元的辐射场进行矢量求和处理,就得到了辐射天线的辐射场问题的解。 二、接收天线的基本理论 接收天线把接收到的电磁信号转换为高频电压信号或者高频电流信号,由馈线传送给接收机。与发射天线的物理过程恰恰相反,接收天线在电路中的作用是发射天线的逆过程。对于接收天线问题的求解,一般应用天线的互易定理,结合对应的发射天线,对接收天线进行求解。 天线互易定理是发射天线和接收天线之间的重要桥梁 REF _Ref389663138 \r \h \* MERGEFORMAT 0,是求解接收天线问题的重要理论基础。对天线对易定理的分析,借助于无源线性二端口网络的电路互易定理。天线互易定理指出,同一天线作为发射天线和接收天线时,方向函数、阻抗、有效面积、天线有效长度、增益都是对等的。所以对于接收天线的分析,可以基本借鉴对发射天线的分析。 三、天线的电参数 随着天线形式的不同,天线的源场分布也不同,因而具有不同的辐射场分布。在工程上,必需确定天线的性能,这样,对于天线的研究和使用才有量的依据。天线的基本电参数包括方向性函数、天线效率、增益系数、天线的阻抗特性、工作频率等。 天线的电参数(天线指标)就是描述天线某一方面特性的参数,它是定量衡量天线性能的尺度。大多数天线电参数是根据天线的发射状态定义的,用了衡量天线.天线增益 增益是分析天线的最重要参数之一,反映了天线辐射能量的集中程度。天线增益的定义与全向反射器和半波振子有关。假设一个天线在所有方向上都辐射功率都相等,那么这个天线就可以看作是一个全向辐射器。 天线 天线 全向辐射器方向图 图2-6 定向天线方向图 在馈入功率相同的情况下,天线在最大辐射方向上某一点的辐射功率通量密度,与全向辐射器在相同距离处的功率通量密度的比值,就是待测天线的天线增益 REF _Ref389725185 \r \h \* MERGEFORMAT 0。也就是说,若全向辐射器的天线,天线的增益为D,给全向辐射器和待测天线馈入相同的功率,在天线的最大辐射方向上,天线辐射的功率是同等条件下全向辐射器功率辐射功率的D倍,待测天线产生的场强是全向辐射器产生的场强的D2倍 2.方向性函数: 对于距天线固定的距离,天线的辐射场E是θ和φ的函数,用 f(θ,φ)表示。为了形象地描述距离天线相同距离的球面上天线各方向的辐射强度,通常用天线的方向性图表示或称天线的波瓣图。 Zy Z y X 图2-7 基本电振子立体方向图 当天线有多个副瓣时,靠近天线主瓣的副瓣是天线的第一副瓣,其他副瓣依次为第二副瓣、第三副瓣、……通常,天线第一副瓣电平是天线的最大副瓣电平,天线的副瓣电平一般用分贝表示,由于天线的副瓣会给天线带来分散功率、引入噪声等不利影响,因此天线副瓣一般需要尽可能地抑制。 有限元(Finite Element)法 有限元法又称为有限单元法。由于飞机设计的需求,在50年代有限元方法被大量应用。有限元法是一种基于数值求解的求解数理边值问题的技术。六十年代被引入电磁场领域,用于电磁场问题的求解天线的设计[[]谭立荣 []谭立荣.矩量法结合阻抗矩阵插值技术快速求解电磁辐射与散射问题[D].南京:南京航空航天大学硕士学位论文,2004:1-10. 有限元法解决问题的步骤包括:(1)定义求解区和求解问题;(2)单元剖分;(3)确定状态控制方法;(4)对各单元求解;(5)组装各单元解;(6)对解进行解释与评价。 (1)定义求解区和求解问题 根据实际问题,确定求解问题的物理性质和求解几何区域 (2)单元剖分 单元剖分是将工程结构离散为各种单元。离散后的单元与单元之间用单元的节点相互连接;单元节点的设置应根据问题的性质和计算进度而定(一般情况单元划分越细越接近真实解,但计算量会变大)。所以有限元中分析的结构不是原有的结构物,而是由新材料构成的离散物体。 (3)确定状态控制方法 将具体的物理问题和边界约束条件用一组微分方程表示,并将微分方程用泛函数表示。 (4)对各单元求解 对每个单元构造一个近似解,并以某种方法给出单元各状态变量的离散关系,并以矩阵的形式给出,从而形成 HYPERLINK /view/3542635.htm \t _blank 单元矩阵。 (5)组装各单元解 将各个单元解总装,形成联合方程组,来描述对求解域的要求。 (6)对解进行解释与评价 有限元法最终建立联立方程组。求解联立方程组的求解可用直接法、 HYPERLINK /view/649495.htm \t _blank 迭代法或随机法。比较计算结果与允许误差值,来确定是否需要细分网格进行重新计算,若需要重复计算,重复(1)-(6)步骤。 有限元法计算准确、适用性广,已被很多工程软件使用。随着计算机硬件和软件技术的发展,有限元法被广泛应用于辅助设计,HFSS软件就是基于有限元法进行电磁场问题仿真求解。 椭球面与双曲面 椭球面天线的设计基于椭球面和双曲面,椭球面是由一个椭圆绕着长轴旋转180度形成的封闭曲面,双曲面在现实生活中比较常见,埃菲尔铁塔和很多发电厂的冷却塔应用了双曲面形状。 椭球面 椭球面是聚焦反射面的天然形状,和椭圆的几何关系与特性相关。椭圆标准方程: 当椭圆焦点在x轴时,椭圆的标准方程是: x^2/a^2+y^2/b^2=1,(ab0);其中a^2-c^2=b^2 (2-19) 当椭圆焦点在y轴时,椭圆的标准方程是: y^2/a^2+x^2/b^2=1,(ab0),其中a^2-c^2=b^2 (2-20) 从椭圆一个焦点o1发出的射线,经椭圆反射后被聚焦到椭圆的另一个焦点o2,因此,在椭圆的焦点o2处得到较大场强。椭圆绕长抽旋转扫掠180度,即得到椭球面: 椭圆长轴 椭圆长轴 图2-8a 椭圆旋转成椭球面 图2-8b 椭球面光学特性 如上图所示,位于椭球面一个焦点处的光源发出的光线,经过椭球内表面反射后,会汇聚于椭球面的另一个焦点。 双曲面 双曲线标准方程: 当双曲线焦点在x轴时,椭圆的标准方程是: x^2/a^2-y^2/b^2=1;其中a^2+b^2=c^2 (2-21) 当双曲线焦点在y轴时,椭圆的标准方程是: y^2/a^2-x^2/b^2=1;其中a^2+b^2=c^2 (2-22) 双曲线度,即得到双曲面: 图2-9a 双曲线b所示,位于双曲面一个焦点处的光源发出的光线,经过双曲面面反射后,就相当于由双曲面的虚焦点直接发射出的射线。 椭球面天线设计思想 一、卡塞格伦天线原理 卡塞格伦天线是一种常用天线,尤其是在 HYPERLINK /lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=28976 \t _blank 微波通信中,它从抛物面演变而来。卡赛格伦天线是根据卡赛格伦光学望远镜工作原理,利用电磁波的反射原理设计的一种微波射频天线。卡塞格伦天线由主反射面、副发射面和馈源三部分组成。其中,主反射面为一旋转抛物面,副反射面为一双曲线绕实轴旋转形成的双曲面。抛物面的焦点和双曲面的一个焦点重合,双曲面和抛物面的对称轴重合,天线馈源位于双曲面的另一个焦点处。 等相位面 等相位面 副反射面 主反射面 F1 F 图2-10 卡塞格伦天线工作原理图 当天线馈源位于旋转双曲面的一个焦点F1处时,由F1发出的波束经过双曲面反射后,就相当于从双曲面的焦点F直接发射出的波束。又因为从抛物面焦点处发出的波束经过抛物面反射后,平行辐射到空间,因此,只要双曲面的焦点F与抛物面的焦点重合,就可使副反射面反射到主反射面上的波束被抛物面反射成平面波辐射出去。? 卡塞格伦天线相对于 HYPERLINK /lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=72851 \t _blank 抛物面天线,它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式,这使天线的结构较为紧凑,制作起来也比较方便。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线,而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近于常数,因而空间衰耗对馈电器辐射的影响要小,使得卡塞格伦微波通信的效率比标准抛物面天线要高,波束为针状,且由于卡赛格伦天线口径面为圆形,故可用作跟踪雷达天线。 二、椭球面天线工作原理 椭球面天线和卡塞格伦天线类似,主要利用高频电磁波准光学特性,即反射性较强的特性。 本文所设计的椭球面天线也是由主反射面、副反射面和馈源三部分组成。其中,主反射面为一椭球面,副反射面为一双曲线绕实轴旋转形成的双曲面。椭球面的焦点和双曲面的一个焦点重合,双曲面和椭球面的对称轴共线,天线馈源位于双曲面的另一个焦点处。 馈源 馈源 F1 图2-11 椭球面天线工作原理图 当天线馈源位于旋转双曲面的一个焦点F1处时,由F1发出的波束经过双曲面反射后,就相当于从双曲面和椭球面公共焦点o1直接发射出的波束。又因为从椭球面一个焦点o1处发出的波束经过椭球面反射后,聚焦到椭球面的另一个焦点o2处,因此,只要椭球面的特定焦点与双曲面的特定焦点重合,就可使副反射面反射到主反射面上的波束被椭球面反射后聚焦到椭球面的另一个焦点,椭球面天线同样具有结构紧凑的特点, 本章小结 天线用来辐射或接收电磁波,将自由空间的辐射电波与传输线中的导行电磁波进行相互转化。天线在无线电波的发射和接收过程中,是必不可少的组成部分,对天线理论的深入理解,有助于我们设计更高效的天线,同时减少工作量,缩短过程周期。总结起来,本章阐述了以下内容: 从麦克斯韦方程组出发,求解电磁场问题的原理方法; 从电流元、磁流元的角度阐述电磁波的辐射产生; 天线的基本辐射元:基本口径面辐射源和基本缝隙辐射源; 研究天线问题的基本方法之一:有限元法; 5.双曲面和椭球面的几何光学性质; 6.卡塞格伦天线和椭球面天线的原理特点。 本章论述的是天线分析的基本理论部分,为后续天线的设计分析提供理论基础。 第3章 椭球面天线章 椭球面天线的设计与仿真 对于面天线的研究,从电流元或磁流元这些原场源出发,扩展到基本口径面辐射源—惠更斯元,再对一定数量的惠更斯元进行矢量求和,来求解天线的辐射场问题。随着计算机硬件技术和软件计算的快速发展,计算机越来越成为天线设计工程师重要的工具手段。针对椭球面天线的研究,在对麦克斯韦方程组求解基础上,结合光学原理,采用日臻完善的计算机手段进行求解。 天线馈源建模仿真 本文设计的天线采用后置馈源的方式,天线馈源采用圆锥喇叭天线。圆锥喇叭较高的工作频率,辐射天线图对称性较好,结构简单,建模方便,较适合本次天线的设计。馈源材料选择理想导体材料,馈电端口采用线极化波进行馈电,并设定积分线来限定馈电的极化方向和模式。对馈源进行仿真与优化设计,得到了满足技术要求的参数结果。 图3-2 图3-2 馈源端口模型示意图 图3-1 馈源结构模型示意图 图3-3为圆锥喇叭馈源电压驻波比随频率变化的关系曲线可见,在要求的工作频率范围内,电压驻波比小于1.5,即,小于4%的能量被返回,损耗小于0.2dB,满足设计指标要求,如果电压驻波比过大,不仅辐射到空间电磁波能量减少,降低效率,而且返回的电波能量将返回发射机功放部分,容易造成功放管损坏,影响系统正常工作。 图3-3 馈源端口VSWR曲线参数曲线参数随频率变化的关系,由图可知,馈源在频率20GHz以下的S11参数小于-50dB,说明馈源的S11参数比较理想。由式RL=-S11可得,馈源的回波损耗RL=50dB,也进一步说明了馈源设计参数较理想,只有很少的能量返回信号源。 图3-5 馈源端口反射系数参数曲线GHz以下频率的反射系数接近于理想值0,效果比较理想。天线参数、端口反射系数参数和电压驻波比相辅相成,对天线效率和辐射能力有重要影响。 HFSS与HFSS-IE联合仿真 本次仿真原本采用传统仿真方式进行模拟仿真,但程序运行不久即出现内存不足的情况。后经过多方查找资料,在HFSS软件新版本中,应用HFSS-IE仿真,可以大幅缩进仿真对CPU和内存的占有,因此,后续仿真采用HFSS-IE仿真器进行仿真。 HFSS传统的分析方法是有限元法,HFSS-IE采用积分方程法求解,应用自适应网格分割技术,并且无需设定吸收边界条件,对于材料均匀的辐射空间和反射面采用压缩求解技术,降低求解复杂度。HFSS和HFSS-IE两种求解器相结合,往往能取得计算效率高、求解精度高的良好效果。 利用前面在HFSS中建立的馈源模型,并进行仿真后,新建HFSS-IE设计,插入前面仿真对应的结果数据,来引用HFSS中设计的馈源。在HFSS-IE中,根据设计的天线的椭球面和双曲面的参数指标,创建天线结构模型,并根据设计的参数确定好椭球面、双曲面、馈源的位置,以使馈源在双曲面的虚焦点位置,双曲面的焦点和椭球面的一个焦点重合。 主反射面建模: 椭圆建模参数方程: X(_t) = 2*cos(_t)*n+2*n Y(_t) = 1.732*sin(_t)*n (3-1) Z(_t) = 0 其中,π/3tπ,n=10cm 得到椭圆曲线段后,以坐标轴x轴为对称轴,旋转扫掠360度,即得到椭球面结构模型。如图3-6所示: 图3-6 主反射面结构图 得到的主反射面为一关于坐标轴x轴旋转对称的椭球面的一部分,椭球的封闭端在坐标轴原点的位置,椭球的两个焦点坐标分别为(1,0,0)和(3,0,0),由于椭圆参数方程中,参数n=10cm,即n=1dm,所以焦点坐标的长度单位为dm。 副反射面建模: 双曲线建模参数: X(_t) = 0.3535/cos(_t)*n+0.5*n Y(_t) = tan(_t)*0.3535*n (3-2) Z(_t) = 0 其中, 0tπ/3,n=10cm 得到一支双曲线段后,以坐标轴x轴为对称轴,旋转扫掠360度,即得到双曲面结构模型。如图3-7所示: 图3-7 副反射面结构图 得到的双曲面为标准双曲面的一支,双曲面与坐标轴x轴交点坐标为(0.8535,0,0),双曲面的两个焦点坐标分别为(0,0,0)和(1,0,0),同椭球面,由于n=10cm,所以坐标的长度单位为dm。 然后在HFSS-IE中链接在HFSS中馈源仿真结果数据,具体操作步骤为:在Project Manager窗口中右击Excitations选项,在Incident Wave选项卡内,选择激励波源类型,如图3-8所示: 图3-8 添加激励源过程 设置好激励源类型后,选择合适的目标设计作为天线激励源,将HFSS馈源工程文件与HFSS-IE整体仿真工程进行数据链接,链接过程如图3-9所示。 图3-9 设置馈源数据链接过程 由于设计的馈源辐射方向是Z轴方向,欲设计的椭球面天线工作在X轴正方向,所以,先将馈源绕X轴旋转90度,然后再绕Z轴旋转90度,即得到了辐射方向为X轴正方向的馈源。在Setup Link窗口中,浏览目录,找到馈源所在的工程文件,将其作为连接目标,即完成了数据连接的工作。 数据链接设置好后进行天线整体仿真,由于在HFSS-IE中不需要建立辐射边界和吸收边界,所以可以很大程度上提高仿真效率。虽然如此,对天线GHz频率仿真时,出现内存不足的提示,于是对天线GHz进行仿线所示的Profile,图中可以看出天线分钟,内存最大占有量为603M 图3-10 天线整体求解过程所需时间及内存 综合上述,使用HFSS和HFSS-IE联合仿真技术,较短的时间内完成了椭球面天线的仿真设计。 天线仿真结果评价 本文设计的天线是通过准光学原理分析的,由于电波的绕射特性,对于微波天线的分析会有一定的误差。本次设计中采用使用有限元法分析的软件进行模拟仿真,即应用另一种方法对天线重新进行分析,通过软件模拟仿真,得到天线辐射方向图电压驻波比、回波损耗等天线重要指标。这些天线指标也是人们设计研发天线很关注的指标,本文主要从天线馈源的电参数和天线辐射方向图的角度对结果进行分析评价。 天线性能参数评价 一、天线馈源的电参数 馈源的电参数以在3.1节有所表述,这里主要评价一下馈源回波损耗。回波损耗由下面公式定义: S11=20lg(Г) (3-3) RL=-S11 (3-4) 其中,Г为电压反射系数,反射系数(Г)定义如下: Г=反射电压/入射电压 (3-5) 图3-5呈现了馈源的电压反射系数随频率的关系,从图中可以看出,在所求频率20GHz处,Г趋近于0,由式(3-1)得,馈源S11参数趋向于无穷小,又由(3-2)得,天线馈源的回波损耗趋向于无穷大,即天线馈源达到理想要求。 二、天线辐射方向图 天线辐射方向图反映了天线的辐射能力和天线辐射的方向性,在应用中作为重要指标对天线进行评估。 在HFSS软件近场辐射球设置窗口中设置辐射半径为300毫米,即所设的辐射球面经过椭球面的另一个焦点o2;辐射球的球心在坐标系的原点处,焦点o2相对于坐标原点的方向就是Phi角为0度,Theta角为90度的方向。椭球面的下图反映了本文设计天线的辐射场强与辐射方向的关系。 图3-11 空间场强与Phi角和Theta角关系 其中,红色曲线o的辐射球的子午线上,天线辐

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