圆波导喇叭天线的仿真与组阵..

圆波导喇叭天线的仿真与组阵
【摘要】：喇叭天线是一种应用广泛的微波天线，其优点是结构简单、频带宽、功率容量大、调整与使用方便。

CST目前是全球最大的纯电磁场仿真软件公司，提供完备的时域频域全波算法和高频算法，覆盖通信、国防、电子、电气、汽车、医疗和基础科学等领域。

利用CST圆波导喇叭天线进行仿真与组阵，可以让我们更有效、方便地了解喇叭天线，对其特性作出判断。

关键词：CST；喇叭天线；仿真；组阵
引言：
传统的天线设计方法总是由设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线的各参数，由于一般的书本理论均建立在近似分析的基础上，故设计初只能得到计算理论上的模型，而后根据实际实验进一步调整设计，这样做不仅花费了大量的时间和精力，而且费用昂贵。

因此随着计算机技术的发展，采用现代计算机为基础的电磁场数值仿真、优化分析方法必将成为设计师的首要选择。

可求解任意三维射频器件的电磁场分布，可直接得到特征阻抗、传播系数、S参数、辐射场、天线方向图等结果。

自适应网格抛分技术、快速扫频、全波spice技术以及大矩阵快速压缩算法技术的应用大大提高了求解精度和速度。

一、圆波导喇叭天线介绍
喇叭天线的基本形式是把矩形波导和圆波导的开口面逐渐扩展而形成的，由于波导开口面的逐渐扩大，改善了波导与自由空间的匹配，使得波导中的反射系数小，即波导中传输的绝大部分能量由喇叭辐射出去，反射的能量很小。

喇叭天线是一种应用广泛的微波天线，其优点是结构简单、频带宽、功率容量大、调整与使用方便，方向图也比较简单而容易控制，一般作为中等方向性天线。

频带宽、副瓣低和效率高的抛物反射面喇叭天线常用于微波中继通信。

合理的选择喇叭尺寸，可以取得良好的辐射特性：相当尖锐的主瓣，较小副瓣和较高的增益。

因此喇叭天线在军事和民用上应用都非常广泛，是一种常见的测试用天线。

图1 圆波导喇叭天线
二、喇叭天线的发展和应用
在微波波段，采用各种波导传输电磁波能量，常用的波导是矩形和圆形截面波导，也有用椭圆形截面波导的。

随后人们发现终端开口的波导也可以向外辐射电磁波，于是就有了波导终端开口构成的波导辐射器，这种馈源是传输线波导的自然发展。

后来为了改善方向性，压窄方向图和获得较高的增益，需要增大波导辐射器的口径面积。

将波导终端做成逐渐张开的形状，这就是喇叭天线。

普通喇叭的方向图在各个平面内是不相同的，两个主平面内相位中心也不重合。

喇叭作为反射面天线馈源时，要求它有确定的相位中心和接近圆对称的初级方向图，这样，旋转对称的反射面天线，可以获得接近圆对称的次级方向图，具有良好的电性能。

而利用高次模和主模相结合的多模喇叭和在喇叭内壁开槽的波纹喇叭，辐射方向图可以做到圆对称，且工作频带宽。

这两种形式的喇叭，副瓣电平低，交叉极化分量小，相位特性良好。

用它们作馈源，可使反射面天线效率提高到75%～80%。

喇叭天线的出现与早期应用可追溯到十九世纪后期，到了二十世纪三十年代，由于第二次世界大战期间对微波和波导传输线的兴趣，喇叭天线便开始发展起来。

20 世纪90 年代，随着军事斗争对毫米波制导需求的增长，以及在研制毫米波发射机和接收机方面的需求，喇叭天线获得了广泛的研究。

目前，喇叭天线已大量用作遍及全世界安装的大型射电望远镜，以及卫星跟踪和通信反射面天线的馈电单元。

除此之外，它也是相控阵的常用单元，并用作对其它天线进行校准和增益测试的标准天线。

喇叭天线由一段均匀波导和一段喇叭组成，可以看成是由横截面逐渐扩展而形成的一种天线，一般分为矩形喇叭和圆锥喇叭两类。

矩形喇叭天线又有H 面扇形喇叭、E 面扇形喇叭和角锥喇叭之分。

由于上述普通矩形和圆锥喇叭天线具有结构简单，功率容量大和高增益的优点，所以在微波测量系统中被大量的用
作标准测量天线。

三、喇叭天线参数 下图显示出喇叭天线的一般几何关系
图2 喇叭天线一般几何关系
馈电波导可以是矩形或圆形的。

图中w 是矩形口径的宽度，a 是圆形口径的半径。

R 称为斜径，从口径中心到波导与喇叭接口处的距离是轴长L 。

由馈电波导中的传输模式可求出喇叭口径面上场的振幅分布，其相位分布近似为平方律相差。

设由顶点发出的是球面波，则斜径R 与轴长L 的差是
22a --=∆R R
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛--=211R a R 22
222282211R W R a R a R ==⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--≈
用波长λ去除∆，得到平方律相差的无量纲常数S
λR
a λR W λΔS 282
2=== 由于多数实用喇叭天线的半张角0θ是小的，所以采用平方律相差近似。

四、CST和CSTMWS
计算机辅助设计（computer Aided Design）简称CAD，它是近20年发展起来的一门新兴技术。

三维仿真软件CST的特点是可以在微波、毫米波、乃至光波频段上，对各种无源电路和器件进行全三维数字模拟，并具备参数扫描和优化功能，可直接以图表形式给出直观结果。

运用CST软件对设计微波器件有很大的帮助，利于节约成本和快速设计成品。

CST工作室套装是面向3D电磁、电路、温度和结构应力设计工程师的一款全面、精确、集成度极高的专业仿真软件包。

包含八个工作室子软件，集成在同一用户界面内，为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真优化。

软件覆盖整个电磁频段，提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法。

典型应用包含电磁兼容、天线/RCS、高速互连SI/EMI/PI/眼图、手机、核磁共振、电真空管、粒子加速器、高功率微波、非线性光学、电气、场路、电磁-温度及温度-形变等各类协同仿真。

CST微波工作室/CST MICROWA VE STUDIO是CST公司旗舰产品，通用三维高频无源结构仿真软件，，适用于整个电磁波和光波波段的电磁及电磁兼容仿真，可仿真任意结构、任意材料下的S参数、辐射和散射问题。

集时域和频域算法为一体，共含12种电磁算法，10种为精确全波算法，2种为高频渐近算法，分别是：时域有限积分、时域传输线矩阵、频域有限积分、频域有限元法、模式降阶、矩量法、ACA迭代矩量法、多层快速多极子、本征模法、多层平面矩量法、物理光学、弹跳射线法。

应用包括：电磁兼容、天线/RCS、高速互连SI、手机/MRI、滤波器等。

五、仿真步骤及结果
5.1 单个圆波导喇叭天线的仿真设计
①打开CST软件，选择新建文件，使用如图模版：
图3 选择天线模板
②按照给定参数设计出圆波导喇叭天线：
图4 圆波导喇叭天线
③选择圆波导喇叭天线相对的两个面的中点，定义信号端口：
图5 定义信号端
④定义工作频率范围和边界条件：
图6 定义工作频率范围和边界条件⑤分别以9GHz、10GHz、11GHz定义三个远场监视
图7 定义三个远场监视
⑥开始进行仿真运算
图8 仿真运算
⑦仿真结果：得到S参数和10GHz时方向图：
图9、图10 S参数
图11 10GH Z 时方向图
3.2 1*6的相控阵天线阵设计
①1*6的相控阵天线阵模型设计
图12 1*6的相控阵天线阵模型
②由下面公式计算相移角：
810
32sin sin **=*=*∇=∇πf θd C w θd K ψ 其中，d 为天线单元之间空间间距，θ为扫描角（即辐射主瓣方向与Z 轴的夹角），d=60mm ，f=10GHz,分别计算在扫描角为0º、15º、30º下相移角ψ∆=0º/155.3º/300o
③计算俯仰扫描角为0度时的组阵方向图
图13 计算俯仰扫描角为0度时的组阵方向图
得到如下方向图：
图14 俯仰扫描角为0度时的组阵方向图
④计算俯仰扫描角为15度时的组阵方向图
图15 计算俯仰扫描角为15度时的组阵方向图
得到如下图方向图：
图16 俯仰扫描角为15度时的组阵方向图⑤计算俯仰扫描角为30度时的组阵方向图
图17 计算俯仰扫描角为30度时的组阵方向图得到如下图方向图：
图18 俯仰扫描角为30度时的组阵方向图
电子科技大学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA 4 结论
在上述喇叭天线的设计中，通过应用CST仿真软件对天线尺寸的调整，我们得到了比较理想的结果，而且通过它还能直观地看出微波在天线及空间的传播强度等，对我们理解电磁场起到了很大的作用。

运用CST等电磁仿真软件对器件进行仿真操作，可以使我们更快捷有效地理解器件的相关工作原理，了解器件的工作特性。

参考文献：
[1]信美华[1].喇叭天线设计与应用[J].信息通信,2013,(3):24-25.
[2]陈腾博[1],刘琳琳[2].一种双频段圆锥喇叭天线的设计[J].电波科学学报,2007,22(6):991-994.
[3]张锋烽. 毫米波相控阵天线阵列的研究与分析. Diss. 南京理工大学, 2009.。