南昌大学HFSS工程应用仿真实验报告：1~8(6)

分析反射系数曲线可知，天线工作的中心频率在550MHz,反射系数S11约为-16.03dB,也即驻波比ρ约为1.36，满足一般天线的性能需要。 ? 2D辐射远场

1）点击菜单栏HFSS>Result>Create Far Fields Report>Radiation Pattern. 2）在Context窗口中进行如下设置：

Solution:Setup1:LastAadptiveGeometry:ff_2d

在Trace窗口中将Ang列选定为变量Phi,在下拉菜单中选择Theta.

3）设定：Category: Gain; Quantity : Gain Total;Function:dB,点击New Report按钮完成，仿真结果如下：

图五、对称振子的远场增益方向图

分析增益方向图可知，由于理想导电平面的存在，在水平角ψ=0°、90°时，天线二维辐射图都被抬高了。最大辐射方向出现在俯仰角θ=0°处（即正Z方向），其增益约为8.1462dB.这也是符合对称振子天线性能的正确实验结果。

五、实验心得：

本实验是HFSS设计仿真的第五个实验，也是关于微波天线仿真设计的实验。在前四个实验的设计技巧基础上新介绍了快捷创建模型部件的方法：Copy和Paste操作，然后在属性中修改设计所需的参数值，以此节省仿真工作量且减小出错率。我在实验中遇上的问题是：开始时候设置模型单位出错，设置为mm（毫米），故一直无法得到正确的实验结果，反复检查后才纠正为in（英尺）。这也说明HFSS设计仿真实验需要很细心的一步步操作。通过观察S参数曲线可得到天线工作中心频率及驻波比指标，结果是合理的；通过观察天线远场增益方向图可知在正Z方向辐射增益最大，这一实验结果与微波理论课程知识也是一致

的，故可认为仿真设计的对称振子天线是正确的。通过实验设计过程及分析思考实验结果，我加深了对于对称振子天线性能特点的理解，回顾了微波课程中的对称振子相关知识，也为后续的双模圆锥喇叭设计实验打好基础。

实验六双模圆锥喇叭天线的设计与仿真

一、设计指标要求：

中心频率为：5GHz

采用圆波导喇叭馈电结构，并使用两个初始误差为90°的激励模式构成圆极化。最后得到驻波比、二维辐射远场和圆极化轴比的仿真结果。

二、实验设备：

PC机、HFSS仿真软件。

三、设计原理：

主模喇叭E面和H面方向图之所以不对称，是由于口径电场在H面内变化大（理想导电壁上电场切向分量必须等于零），在E面内变化小（圆锥喇叭）或几乎不变（矩形喇叭）。引入适当的高次模，使口径场在两个面内的分布规律近似相等，从而使两个主平面方向图近似相等。一般仅需要一个附加模，称为双模喇叭。 在双模圆锥喇叭中，附加的高次模是TM11。波导半径a必须使TE11模传播，TM11截止，即1.84?ka比。随着b/a的增加，模比?增加，半径b应选得使TM11模传播，TE11截止，即

?3.38。截面跳边激励TM11。TM11和TE11模在口径中心处电场强度纸币称为模

3.83?ka?5.33。等直径段用于保证对于设计频率，双模在口径中心同相，其长度l取决

于喇叭张角，阶梯到口径的距离，以及TM11模相对于TE11模的起始相位。在口径中心两模电场相加，靠近口径边缘两模电场对消。TE11模的远场有?分量和?分量，TM11模的远场仅有?分量，若口径尺寸适当，反射系数近似等于零，远场分量为：

???/?g'?cos??J1(u')E???1?cos??cos?'2?'?g1?(3.383/u)u??J1'(u')?E??(?cos?)sin??g(1?u'/1.84)2

kdsin?，?g和?g'分别为TE11模和TM11模的波长，?为模比。由于两个2模的色散特性不同，相位条件仅在单频满足，因此阶梯双模圆锥喇叭是窄带的。对于不太长

式中，u'?的喇叭，若采用介质加载其电性能可得到某些改善。

四、设计仿真步骤：

（1）建立新的工程 （2）设置求解类型

? 一般默认的求解类型就可以，即同前五个实验一致。 （3）设置模型单位

? 在设置单位窗口选择：in（inch）。 （4）设置模型的默认材料

? 一般默认的材料就是真空（vacuum），如果是没有变动可直接使用默认材料。 （5）创建模型部件 ? 创建喇叭模型 1）创建Waveguide。 2）创建相对坐标系。

3）在相对坐标系上创建Taper。 4）再次创建相对坐标系。

5）在新的相对坐标系上创建Throat。 6）将已创建的模型组合起来并命名。 7）选择当前坐标系。 8）设置模型的默认材料。

? 在工具栏中设置模型的下拉菜单点击Select，设置材料窗口中选择pec材料。 ? 创建喇叭外壁Horn Wall。 1）完成Horn的建立。

将模型全部选中，在菜单栏中点击Modeler>Boolean>Subtract，在Subtract窗口中设置：

Blank Part：Horn

Tool Part： Horn_Air

Clone tool objects before subtract 复选框不选，点击OK结束。 ? 创建辐射边界

1）设置模型的默认材料。

由于之前有选中其它材料，于是需要在工具栏中将材料改回真空（vacuum）。 ? 创建Air。

? 设置辐射边界。

1）选中Air，在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Radiation，在辐射边界窗口中，将辐射边

界命名为Rad1，点击OK结束。 ? 创建波端口

1）创建端口圆面模型p1. 2）设置波端口

3）选中创建的圆面p1，在菜单栏中点击HFSS>Excitations>Assign>Wave Port。在Wave Port

窗口的General标签中，将该端口命名为p1。在Modes标签中将模式数改为2，点击Update按钮。对于Mode1设置积分线，设置完积分线之后选中Polarize E Fields 复选框，点击Next按钮直到结束。 ? 辐射场角度设置 1）设定相对坐标系

2）在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。

3）在Infinite Sphere 标签中：

Name: ff_2d

Phi:(Start:0,stop:90,Step Size:90) Theta: (Start: -180.Stop: 90,Step Size: 2)

Coordinate System标签中：

选择Use local coordinate system; 选择 ReletiveCS3.

点击OK按钮结束。 （6）求解设置

为该问题设置求解频率。

? 在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup,在求解设置窗口中，设置：

Solution Frequency: 5.0GHz Maximum Number of Passes:10

Maximum Delta S per Pass: 0.02点击OK保存。

（7）保存工程并命名为hfss_horn,设计结果如下图：

图一、双模圆锥喇叭完整模型

? 点击菜单栏的

图标，检查设计步骤是否出错。如下图即为仿真设计正确。

图二、软件检错界面图

? 在菜单栏中点击HFSS>Analyze All,完成仿真设计计算，出现如下图状态：

图三、双模圆锥喇叭运算界面图

（8）后处理操作

? 查看求解收敛结果

点击菜单栏中HFSS>Result>Solution Data，再点击Convergence 标签便可以看到求解的收敛结果。 ? 2D辐射远场。

1）在菜单栏中点击HFSS>Fields>Edit Source,在Edit Sources 窗口中，设置：

p1端口的模式1：幅度：1.0；相位：0.0 p1端口的模式2：幅度：1.0；相位：90.0

点击OK结束。

2）在菜单栏中点击HFSS>Results>Create Far Fields Report>Radiation Pattern

在Context窗口中，设置：

Solution: Setup1: LastAadptive

Geometry:ff_2d

3）在Trace窗口中，将Ang这一列中点击第一个变量Phi,在下拉菜单中选择Theta.选择：

Category: Gain; Quantity: GainLHCP,GainRHCP; Function: dB.点击New Report按钮，得到以下结果：

图四、喇叭辐射远场方向图

分析以上实验结果可知，由于引入了适当的高次摸，使得口径场在两个面内的分布呈现很相似的规律，即图中所显示的两条曲线重叠率很高。在水平角ψ=90°时，E、H面的波

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