1、本科生科研训练结题报告基于 HFSS 的圆锥喇叭天线设计学院（系）：电子工程与光电技术学院姓名、学号：郝晓辉 1104330111席家祯 1104330126白剑斌 1104330105指导老师：钱嵩松摘要天线是对任何无线电通信系统都很重要的器件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。天线可分为简单线天线，行波天线，非频变天线，缝隙天线与微带天线，面天线和智能天线等。圆锥喇叭天线属于面天线。本文首先介绍了天线的基础知识和基本参数，其中着重介绍了喇叭天线及其设计,接着介绍了网络 S 参数及软件 HFSS。在此基础上，进行了圆锥喇叭天线的设计，最后在软件 HFSS 中进行了仿真。本文对圆锥喇
2、叭天线的设计提供了一定的参考作用。关键词：圆锥喇叭天线；仿真AbstractAntenna is an important part in any radio communication systems.The quality of antenna can affect the performance of whole systems.Antenna can be divided into simple Wire Antenna，Traveling-Wave Antenna ，Frequence-Independent Antenna，Slot Antenna and Microstrip A
3、ntenna，Aperture Antenna，Smart Antenna and so on.Cone horn antenna is one of the Aperture Antenna. In this paper,basic knowledge and basic parameters of antenna are presented firstly ,especially the horn antenna and its design be emphasized.Then S-parameter and HFSS software are briefly introduced. I
4、n the base of above ,the cone horn antenna is designed.At last ,the antenna is simulated in HFSS.This paper provides the reference to cone horn antenna.Keywords：conic horn antenna;simulation目录第 1 章 概述 51.1 天线的应用背景 51.1.1 天线的发展与应用 .51.1.2 喇叭天线的发展和应用 .61.2 天线的基础知识 .61.2.1 天线的原理 .71.2.2 天线的辐射 .71.2.3 方
5、向系数 .91.2.4 天线效率 .91.2.5 增益系数 .101.2.6 输入阻抗 .101.2.7 微波网络 S 参数 .111.3 喇叭天线基础知识 .141.3.1 喇叭天线参数 .141.3.2 给定增益设计喇叭 .161.3.3 根据参数要求计算尺寸参数 .17第二章 HFSS 仿真喇叭天线 .172.1 HFSS 简介 .172.2 圆锥喇叭天线的仿真 182.2.1 仿真步骤 .182.2.2 仿真结果分析 .23第三章 结论与展望 24引言天线是一种换能器，它将传输线上传播的导行波，变换为在无界媒质（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。无线电通信、广播、电视
6、、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。根据无线电系统对波段的要求，天线的设计也不同。长中短波段，常用 T 形、环形、菱形等不同形状的导线构成天线；而在微波波段，常用金属板或网制成喇叭天线，抛物面天线，金属面上开槽的裂缝天线，金属或介质条排成的透镜天线等。喇叭天线是一种广泛使用的微波天线，其优点是结构简单，频带宽，功率容量大，调整与使用方便，合理的选择喇叭尺寸可以获得良好的辐射特性，相当尖锐的主瓣和较高的增益。因此，喇叭天线在无线通信,雷达等领域得到广泛的应用。喇叭既可以做各种复杂天线的馈源,也能够直接作天线使用。喇叭天线就外形特性来
7、说,有方形口径喇叭和圆形口径喇叭。方形口径喇叭天线辐射椭圆波束,从辐射方向图的圆对称性和圆极化工作性能方面都不如圆形口径喇叭天线。圆形口径喇叭有单模喇叭,多模喇叭和平衡混合模喇叭。单模喇叭的典型代表就是光壁圆锥喇叭天线,光壁圆锥喇叭结构简单且具有良好的辐射特性,因此在大型阵列天线中使用非常广泛。近年来圆锥喇叭天线的理论和实验研究发展比较迅速,出现了多种改进形式:包括多模圆锥喇叭、波纹喇叭、变张角喇叭和介质加载喇叭等。第 1 章 概述1.1 天线的应用背景天线是任何无线电通信系统都离不开的重要前端器件。尽管设备的任务并不相同，但天线在其中所起的作用基本上是相同的。在图 1-1 所示的通信系统示意
8、图中，天线的任务是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或将空间电波信号转换成高频电流能量送给接收机。为了能良好地实现上述目的，要求天线具有一定的方向特性，较高的转换效率，能满足系统正常工作的频带宽度。天线作为无线电系统中不可缺少且非常重要的部件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。发射机 接收机馈线馈线图 11 通信系统示意图无线通信的技术及业务的迅速发展既对天线提出许多新的研究方向，同时也促使了许多新型天线的诞生。例如多频多极化的微带天线，电扫描和多波束天线，自适应天线和智能天线。天线按照用途的不同，可将天线分为通信天线，广播和电视天线，雷达天线，导航和测向天线等
9、；按照工作波长，可将天线分为长波天线，中波天线，短波天线以及微波天线等为了理论分析的方便，通常将天线按照其结构分成两大类：一类是由导线或金属棒构成的线天线，主要用于长波，短波和超短波；另一类是由金属面或介质面构成的面天线，主要用于微波波段。面天线的种类很多，常见的有喇叭天线，抛物面天线，卡塞格伦天线。这类天线所载的电流是分布在金属面上的，而金属面的口径尺寸远大于工作波长。面天线在雷达，导航，卫星通信以及射电天文和气象等无线电技术设备中获得了广泛的应用。喇叭天线是最广泛使用的微波天线之一。1.1.1 天线的发展与应用自赫兹和马可尼发明了天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，如今成为人们不可
10、或缺之物。赫兹在 1886 年建立了第一个天线系统，他当时装配的设备如今可描述为工作在米波波长的完整无线电系统，采用终端加载的偶极子作为发射天线，谐振环作为接收天线。1895 年 5 月 7 日俄罗斯科学家亚历山大利用电磁波送出第一个信号到 30 英里外的海军舰艇上。1901 年 12 月中旬，马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路，为较长的波长配置了大的天线和接地系统，并在纽芬兰的圣约翰斯接收到发自英格兰波尔多的无线电信号。一年后，马可尼便开始了正规的无线电通信服务。在 20 世纪初叶，由于“共和国号”和“泰坦尼克号”海难事件，马可尼的发明戏剧性地表现出在海事上的价值。因为在无线电问世之前，船舶
11、在海上是完全孤立的，当灾难来袭时，即使是岸上或邻近船舶上的人也无法给予提醒。随着第二次世界大战期间雷达的出现，厘米波得以普及，无线电频谱才得到了更为充分地利用。 如今，数以千计的通信卫星正负载着天线运行于不同的轨道中，犹如土星的光环围绕土星那样围绕着地球；手持的全球定位卫星接收机能够为任何地面或空中的用户不分昼夜晴雨地提供经度、纬度和高度信息，其精确程度达到厘米级；载有天线阵的探测器在地面系统的指挥下已经访问了太阳系的其他行星；飞机和船舶随身携带的天线为其提供了必不可少的通信系统；移动电话借助于天线为人们提供任何地点和任何人的通信。随着人类活动向太空扩展，对天线的需求也将增长到史无前例的程度，
12、天线将在未来的生活中担任着越来越重要的角色。1.1.2 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
13、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
14、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。1.2 天线的基础知识描述天线工作特性的参数称为天线电参数，又称电指标。他们是定量衡量天线性能的尺度。我们需要了解天线电参数。大多数天线电参数是针对发射状态规定的，以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能
15、量以及定向辐射的能力。1.2.1 天线的原理当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场。按电磁场在空间的分布特性，可分为近区，中间区，远区。设 R 为空间一点距导体的距离，在 R/2 时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流,电压有紧密的联系。在 R/2 的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流，电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。发射天线正是利用辐射场的这种性质，使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射。在平行双线的传输线上为了使只有能量的传输而没有辐射，必须保证
16、两线结构对称，线上对应点电流大小和方向相反，且两线间的距离。要使电磁场能有效地辐射出去，就必须破坏传输线的这种对称性，如采用把二导体成一定的角度分开，或是将其中一边去掉等方法，都能使导体对称性破坏而产生辐射。如图 1-2，图中将开路传输或距离终端 /4 处的导体成直状分开，此时终端导体上的电流已不是反相而是同相了，从而使该段导体在空间点的辐射场同相迭加，构成一个有效的辐射系统。这就是最简单，最基本的单元天线，称为半波对称振子天线，其特性阻抗为 75。电磁波从发射天线辐射出来以后，向四面传播出去，若电磁波传播的方向上放一对称振子，则在电磁波的作用下，天线振子上就会产生感应电动势。如此时天线与接收
17、设备相连，则在接收设备输入端就会产生高频电流。这样天线就起着接收作用并将电磁波转化为高频电流，也就是说此时天线起着接收天线的作用，接收效果的好坏除了电波的强弱外还取决于天线的方向性和半边对称振子与接收设备的匹配。图 12 半波对称阵子天线1.2.2 天线的辐射天线辐射球面波在以天线为核心的坐标系统的径向方向上传播。在大的距离上，球面波可以近似平面波。平面波是有用的，因为他们把问题简化了。他们不是自然的，然而，因为它们需要无限的功率。该玻印廷矢量描述两个方向的传播和功率密度的电磁波。这是从矢量穿过产生的电场和磁场中发现的，并标注为 S：S = E H* W/ (11)2m均方根（RMS）值是用来
18、表达场的重要性。H*是复杂的共轭的磁场相。磁场在远区场上是与电场成正比的。比例常数是 ，自由空间中的阻抗( = 376.73)：W/ (12)2S2因为玻印廷矢量是两个场的矢量的产物，这是正交的两个场以及三重定义了一个右手坐标系统：(E, H, S)。考虑一对以天线为核心的同心球形。靠近天线的场减少为 1/R, 1/ ,1/ 等等。2R3恒指定的条件将要求功率辐射与辐距离和将不会被保存的功率一起增长。场方面的比例1/ ,1/ 更高，功率密度随距离减少，比面积增加的速度快。在球形里面的能源大于2R3在球形外部的能量。这些能量不辐射，但是代替集中在天线周围，它们是近区场的条件。只有 1/ 条件的玻
19、印廷矢量（1/R 场条件）所代表的辐射功率，因为该球形的面积的2R增长为 ，并给出了一个常数的积。所有辐射功率流经内部球体将传播到球形的外部。符号的输入抗依赖于近区场的场类型的优势：电气（电容式）或磁场（电感） 。在共振（零抗）上储存的能量是平等的，因为是近区场。存储场的增多增加了电路的 Q 和缩小阻抗带宽。从天线到目前为止，我们只考虑辐射的场和功率密度。功率流是相同的通过同心的球形：(13)221, ,44avgavgRSRS平均功率密度是成正比于 1/ 的。考虑在同一坐标的角度上的两个球形的面积的差异。天线的辐射，只有在径向方向;因此，没有功率可能在 或 方向上游走的。功率在面积中的通量管
20、上游走，并如下，不仅平均坡印亭矢量，而且功率密度的每个部分都是与 1/ 成正比的：2R(14)221sinsinSRdSRd自从在一个辐射波 S 是成正比于 1/ 的之后，E 是成正比于 1/R。界定辐射强度以2此来消除 1/ 的依赖是很方便的：2U(, ) = S(R, , ) f W/solid angle (15)辐射强度，只取决于辐射的方向和在所有的距离上保持不变。一探针天线测量相对辐射强度（方向图）是通过在天线的周围移动轨迹在一个圆圈（常数 R）上。当然很多时候天线在旋转而且探头是固定的。方向图随着球面坐标系的常数角度就叫做锥形（常数 ）或大圈（常数 ） 。大圈削减当 =0或 = 9
21、0是主要的平面方向图。其他命名削减也使用，但他们的名字取决于特定的测量定位，而且它是必要的注释，这些方向图小心地在人们对不同定位器的测量方式之间去避免造成混乱。方向图通过采用 3 个规模来衡量的：线性（功率） ，平方根（磁场强度） ，及分贝（dB） 。该分贝的规模是最常用的，因为它揭示了更多的低层次的反应（旁瓣） 。1.2.3 方向系数方向系数是能定量的表示天线定向辐射能力的电参数。它的定义为：在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度 Smax 和无方向性天线的辐射功率密度 So 之比，记为 D。(16)EoS2max在最大辐射方向上Emax= (17)rDP60
22、上式表明，天线的辐射场与 PrD 的平方根成正比，所以对于不同的天线，若它们的辐射功率相同，则在同是最大辐射方向且同一 r 处的观察点，辐射场之比为 = (18)2max1ED若要求他们在同一 r 处观察点辐射场相等，则要求(19)1Pr即所需要的辐射功率与方向系数成反比。方向系数的最终计算公式为D= (110)022,4dSinF显然，方向系数与辐射功率在全空间的分布状态有关，要使天线的方向系数大，不仅要求主瓣窄，而且要求全空间的副瓣电平小。1.2.4 天线效率一般来说，载有高频电流的天线导体及其绝缘介质都会产生损耗，因此输入天线的实功率并不能全部转换成电磁波能量。可以用天线效率来表示这种能
23、量转换的有效程度。天线效率定义为天线辐射功率 Pr 与输入功率 Pin 之比，记为 A，即(111)PinAr辐射功率与辐射电阻之间的联系公式为 Pr= IRr, 依据电场强度与方向函数的联系公式 (112),(60),(frIE则辐射电阻的一般表达式为(113)dRrfsin),(30022则方向系数与辐射电阻之间的联系为：(114)RrDf2max1类似于辐射功率和辐射电阻之间的关系，也可将损耗功率 Pl 与损耗电阻 Rl 联系起来，即Pl= IRl (115)21Rl 是归算于电流 I 的损耗电阻，这样(116)RlrPlAr注意，上式中 Rr，Rl 应归算于同一电流。一般来讲，损耗电阻
24、的计算是比较困难的，由上式可以看出，若要提高天线效率，必须尽可能的减小损耗电阻和提高辐射电阻。1.2.5 增益系数方向系数只是衡量天线定向辐射特性的参数，它只决定于方向图；天线效率则表示了天线在能量上的转换效能；而增益系数则表示了天线的定向收益程度。增益系数的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度 Smax 和理想无方向性天线的辐射功率密度 So 之比，记为 G。用公式表示如下：(117)EoSG2max在有效情况下，功率密度为无耗时的 A 倍。由此可见，增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积。由于发射机的输出功
25、率是有限的，因此在通信系统的设计中，对提高天线的增益常常抱有很大希望。频率越高的天线越容易得到很高的增益。1.2.6 输入阻抗天线和馈线的连接处称为天线的输入端或馈电点。对于线天线来说，天线输入端的电压与电流的比值称为天线的输入阻抗。对于口面型天线，则常用馈线上电压驻波比来表示天线的阻抗特性。一般，天线的输入阻抗是复数，实部称为输入电阻，以 Ri 表示；虚部称为输入电抗，以 Xi 表示。天线的输入电抗表征储藏在天线近区场中的功率。电尺寸远小于工作波长的天线,其输入电抗很大,例如短偶极天线具有很大的容抗；电小环天线具有很大的感抗；直径很细的半波振子输入阻抗约为 73.1+j42.5 欧。在实际应
26、用中，为了便于匹配，一般希望对称振子的输入电抗为零，这时的振子长度称为谐振长度。谐振半波振子的长度比自由空间中的半个波长略短一些，工程上一般估计缩短 5。谐振半波振子的输入阻抗约为 70 欧。天线的输入阻抗与天线的几何形状、尺寸、馈电点位置、工作波长和周围环境等因素有关。线天线的直径较粗时，输入阻抗随频率的变化较平缓，天线的阻抗带宽较宽。研究天线阻抗的主要目的是为实现天线和馈线间的匹配。欲使发射天线与馈线相匹配，天线的输入阻抗应该等于馈线的特性阻抗。欲使接收天线与接收机相匹配，天线的输入阻抗应该等于负载阻抗的共轭复数。通常接收机具有实数的阻抗。当天线的阻抗为复数时，需要用匹配网络来除去天线的电
27、抗部分并使它们的电阻部分相等。当天线与馈线匹配时，由发射机向天线或由天线向接收机传输的功率最大，这时在馈线上不会出现反射波，反射系数等于零,驻波系数等于 1。天线与馈线匹配的好坏程度用天线输入端的反射系数或驻波比的大小来衡量。对于发射天线来说，如果匹配不好，则天线的辐射功率就会减小，馈线上的损耗会增大，馈线的功率容量也会下降，严重时还会出现发射机频率“牵引”现象，即振荡频率发生变化。口面型天线的阻抗特性用馈线上某点的电压驻波比或反射系数来表示。当反射系数为零、驻波系数为 1 时，称作匹配。对口面型天线来说，为了达到匹配状态，应当在所有产生反射的不连续点附近加上能够产生相反反射的匹配元件，使它们
28、相互抵消。天线的频带由这些元件的组合频带决定。1.2.7 微波网络 S 参数微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分布的基础上，用路的方法将微波元件等效为电抗或电阻器件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，把场的问题转化为路的问题来解决。微波网络理论在低频网络理论的基础上发展起来，低频电路分析是微波电路分析的一个特殊情况。微波系统主要研究信号和能量两大问题：信号问题主要是研究幅频和相频特性；能量问题主要是研究能量如何有效地传输。微波系统是分布参数电路，必须采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。一般地，对于一个网络
29、有 Y、Z 和 S 参数可用来测量和分析，Y 称导纳参数，Z 称为阻抗参数，S 称为散射参数；前两个参数主要用于集总电路，Z 和 Y 参数对于集中参数电路分析非常有效，各参数可以很方便的测试；但是在微波系统中，由于确定非 TEM 波电压、电流的困难性，而且在微波频率测量电压和电流也存在实际困难。因此，在处理高频网络时，等效电压和电流以及有关的阻抗和导纳参数变得较抽象。与直接测量入射、反射及传输波概念更加一致的表示是散射参数，即 S 参数矩阵，它更适合于分布参数电路。 S 参数就是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述
30、电路网络。同 N 端口网络的阻抗和导纳矩阵那样，用散射矩阵亦能对 N 端口网络进行完善的描述。阻抗和导纳矩阵反映了端口的总电压和电流的关系，而散射矩阵是反映端口的入射电压波和反射电压波的关系。散射参量可以直接用网络分析仪测量得到，可以用网络分析技术来计算。只要知道网络的散射参量，就可以将它变换成其它矩阵参量。图19 二端口网络 S 参数下面以二端口网络为例说明各个 S 参数的含义，如图所示。二端口网络有四个 S 参数，Sij 代表的意思是能量从 j 口注入，在 i 口测得的能量，如 S11定义为从 Port1口反射的能量与输入能量比值的平方根，也经常被简化为等效反射电压和等效入射电压的比值，各
31、参数的物理含义和特殊网络的特性如下：S11：端口2匹配时，端口1的反射系数；S22：端口1匹配时，端口2的反射系数；S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；对于互易网络，有：S12S21；对于对称网络，有：S11S22 对于无耗网络，有：（S11）2（S12）21 ；S21表示插入损耗，也就是有多少能量被传输到目的端（Port2）了，这个值越大越好，理想值是1，即0dB，S21越大传输的效率越高，一般建议 S210.7，即3dB。我们经常用到的单根传输线，或一个过孔，就可以等效成一个二端口网络，一端接输入信号，另一端接输出信号，如
32、果以 Port1作为信号的输入端口， Port2作为信号的输出端口，那么 S11表示的就是回波损耗，即有多少能量被反射回源端（Port1） ，这个值越小越好，一般建议 S11Solution Type。（2）在弹出的 Solution Type 窗口中，选择 Driven Modal。3设置模型单位（1）在菜单栏中点击 ModelerUnits。（2）设置模型单位为毫米（下拉选择 mm） 。4设置模型的默认材料在工具栏中设置模型的默认材料为真空（vacuum)。5创建喇叭模型（1）创建圆锥喇叭（a）在菜单栏中点击 DrawCone。（b）在坐标输入栏中输入圆锥中心点的坐标:X:0.0 ,Y:0
33、.0,Z:86.62395,按回车键结束输入。（c）在坐标输入栏中输入圆锥下部半径（lower radius）：dX:23.84368,dY:0.0,dZ:0.0,按回车键结束输入。（d）在坐标输入栏中输入圆锥上部半径（upper radius）：dX:-23.84368,dY:0.0,dZ:0.0,按回车键结束输入。（e）在坐标输入栏中输入圆柱的高度：dX:0.0,dY:0.0,dZ:-81.62395,按回车键结束输入。 （f） 在属性（Property)窗口中选择 Attribute 标签，将该圆柱的名字修改为Cone1。（2）创建矩形波导（a）在菜单栏中点击 DrawBox（b）在坐标
34、输入栏中输入长方体底面一顶点的坐标:X:1.778 ,Y:3.556,Z:0,按回车键结束输入。（c）在坐标输入栏中输入长方体底面对角顶点的相对坐标:dX:3.556,dY:-7.112,dZ:0,按回车键结束输入。（d）在坐标输入栏中输入长方体高度:dX:0,dY:0,dZ:30,按回车键结束输入。 （注：此高度任意，使上底面从喇叭内露出即可）（e） 在属性（Property)窗口中选择 Attribute 标签，将该长方体的名字修改为Box1。（3）组合圆锥以及波导（a）利用快捷键 Ctrl+A 将模型全部选中。（b）在菜单栏中点击 ModelerBooleanUnite。（c）命名为 C
35、one16创建辐射边界（1）设置模型的默认材料在工具栏中设置模型的下拉菜单中点击 Select,在设置材料窗口中选择 vacuum,点击 OK 完成。（2）创建 Air Box（a）在菜单栏中点击 DrawBox。（b）在坐标输入栏中输入长方体底面一顶点的坐标:X:30 ,Y:30,Z:0,按回车键结束输入。（c）在坐标输入栏中输入长方体底面对角顶点的相对坐标:dX:-60,dY:-60,dZ:0,按回车键结束输入。（d）在坐标输入栏中输入长方体高度:dX:0,dY:0,dZ:100,按回车键结束输入。（e）命名为 Box2 （3）设置边界条件（a）在菜单栏中点击 EditSelectFace
36、s（b）选择圆锥喇叭表面以及矩形波导前后左右四侧面（注：在选面前可右键单击Box2，弹出菜单中选 ViewHide in Active View 将其隐藏，方便选取） 。（c）在菜单栏中点击 HFSSBoundariesAssignPerfect E（d）在设置窗口中，将边界命名为 PerfE1,点击 OK 结束。（4）设置辐射边界（a）在菜单栏中点击 EditSelectBy Name。（b）在对话框中选择 Box2，点击 OK 结束。（c）在菜单栏中点击 HFSSBoundariesAssignRadiation。（d）在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为 Rad1,点击 OK 结束。7创建
37、波端口（a）在菜单栏中点击 EditSelectFaces。（b）单击选择矩形波导底面。（c）在菜单栏中点击 HFSSExcitationsAssignWave Port（d）在 Wave Port 窗口的 General 标签中，将该窗口命名为 1。（e）其他标签页设置保持默认即可至结束。8辐射场角度设置（1）在菜单栏中点击 HFSSRadiationInsert Far Field SetupInfinite Sphere。（2）在辐射远场对话框中设置。在 Infinite Sphere 标签中：Name:Infinite Sphere1Phi:(Start:0,Stop:360,Step
38、 Size:1)Theta:(Start:0,Stop:180,Step Size:1)其他设置保持默认。点击 OK 按钮结束。9求解设置为该问题设置求解频率。（1）设置求解频率（a）在菜单栏中点击 HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup 。（b）在求解设置窗口中，设置：Solution Frequency：35GHz Maximum Number of Passes：8 Maximum Delta S per Pass：0.02 （c）点击 OK 结束。10保存工程（1）在 Ansoft Hfss 窗口，选择菜单中的文件（File）另存为（Save As）
39、（2）在另存为窗口，输入文件名：Horn（3）点击保存（Save）按钮11查看求解收敛结果图 2 - 2 收敛结果（1）点击菜单栏中 HFSS ResultSolution Data。（2）点击 Convergence 标签可以看到求解的收敛结果。12后处理操作（1）2D 辐射远场。在菜单栏中点击 HFSSResultsCreate Far Report。（a）选择：Radiatin Patten。（b）在 Context 窗口中，设置：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。Meg 列选择：Category:Gain；Quantity:
40、GainTotal;Function:dB,点击 New Report 按钮，得到远场增益。图 2 - 3 远场增益（2）驻波比信息曲线（a)在菜单栏中点击 HFSSResultCreate Modal Solution Data Report。（b）接着选择：Data Table。（c）在 Context 窗口中，设置：Solution:Setup:LastAadptive在 Trace 窗口中，将 X 这一列中选择第一个变量 Freq。选择：Category:VSWR;Quantity:VSWR(1);Function:none,点击 New Report 按钮，得到驻波比信息栏。图 2
41、- 4 VSWR 结果（3）工作频率附近 S 参数曲线图 2 - 5 S11(4)远区辐射场 3D 极坐标图图 2 - 6 远区辐射场 3D 极坐标(5)仿真结果的优化口径半径 r=23.3mm24.3mm图 2 - 7 优化 S112.2.2 仿真结果分析工作频段附近 S11 小于-25dB，满足要求。最大辐射方向上增益大于 20dB。驻波比接近于 1:1，说明天线能获得较大的辐射功率。第三章 结论与展望本文首先应用工程方法，在一定增益要求下，求得了喇叭天线的口径参数，而后进入 HFSS 软件中对所涉及的喇叭天线进行了仿真，结果表明设计的天线各项指标符合设计要求。在设计过程中，我们碰到了许多
42、问题，设计、软件仿真等等，针对这些问题，我们查阅了相关书籍，在网上搜索资料，询问老师和同学，在解决问题中归纳、总结、学习，最后完成了整个设计。这次科研训练始于大二上学期，到现在大四，已有一年半的时间，通过这次的科研训练，我学到了很多东西，通过自己的实践，增强了动手能力。通过实际工程的设计也使我了解到书本知识和实际应用的差别。在实际应用中遇到很多的问题，这都需要我对问题进行具体的分析，并一步一步地去解决它。由于本人水平有限，外加时间有限，本书中难免出现一些缺点不足，希望读者可以原谅。致谢在本人设计此圆锥喇叭天线的过程中，我获得了各方面的帮助，有同学的帮助，也有老师的帮助。我的同学们在我完成论文的
43、过程中，帮助我回忆课堂上曾讲到的相关论文主题的内容，帮我分析公式，他们的帮助是非常重要的。我的指导老师钱嵩松老师悉心指导着我的论文的完成。对我的论文中存在的不足和错误处给予了指正，对我在论文完成过程中存在的疑惑不解之处一一解答。陈老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。在此谨向钱老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此对帮助过我的同学和老师再次表示感谢！作者：请亲笔签名参考文献1 林昌禄，天线工程手册 电子工业出版社，20022 林昌禄，近代天线设计 人民邮电出版社，19903 宋铮，张建华，黄治.天线与电波传播 西安电子科技大学出版社，2003 4 刘学观，郭辉萍.微波技术与天线 西安电子科技大学出版社，20065 马汉炎，天线技术 哈尔滨工业大学出版社，2001
