时域2时域天线的设计及测试.docx

电子科技大学实验报告姓 名:学号：组 号:组员姓名:指导老师:课程名称:实验地点:实验时间:实验题目时域天线设计与实验测试-实验目的1 了解描述时域天线的主要参数及应用现状；2掌握时域天线的设计方法；3掌握时域主要参数的实验测试方法，熟练使用测试仪器。二实验原理2.1时域天线概述时域天线（Time-domain Antenna）是超宽带天线中的一各分支。狭义的时域天线是指辐射冲激信号 的超宽带天线，因此又称脉冲天线或瞬态天线（Transient antenna）1。它是伴随上世纪八十年代，基于冲 激信号的无线通信技术快速发展的背景下出现的一个天线分支领域。一方面，时域天线既然是超宽带天线的一个分支，因而基于频域概念的超宽带天线的应用基础理 论研究结果和工程设计方法对时域天线仍然有很好的借鉴价值；另一方面，时域天线辐射的是ns、亚 ns量级的冲激信号，这些信号的频谱覆盖了从101 MHz-101 GHz的很宽频带，具有比通常意义超宽带 天线更高的相对带宽；再一方面，时域天线服务于无线时域通信，旨在利用电磁波的时间资源，因而 描述时域天线性能参数也与基于频域概念的超宽带天线有所不同。因此，时域天线的理论分析与工程 设计方法既与频域超宽带天线有相通之处，也有自身的特殊要求。概括起来，在进行时域天线分析与 设计时，应注意其以下特征2：其一，宽带特征。即要求时域天线阻抗、方向图、辐射效率、有效长度、 极化特征都具有宽带一致性，这使得时域天线设计时，往往需要对这些参数进行折中设计，甚至与时 域天线相关的馈电、接收电路也必须具有宽带特征；其二，高波形保真性。时域天线辐射或接收冲激 信号的拖尾信号幅度、持续时间都必须得到严格控制，同时要求不同角方向的冲激信号具有较高的波 形保真系数，以便接收系统的相关接收并避免影响接收系统对目标反射信号的有效识别；其三，一体 化设计特征。与基于频域无源天线设计不同，时域天线设计往往需要将信号源、馈电和接收电路作一 体化设计，因此必须考虑天线与信号源和接收系统的宽带匹配与电磁隔离等复杂问题。通常，对数周期天线、平面渐变天线等典型的宽带天线都可以用作时域天线设计；在一定条件下， 诸如偶极子、单极子这样的典型谐振窄带天线也可以通过加载等方法用作时域天线。2.2喇叭k天线结构的设计原理和方法喇叭天线的结构可分为波导段和喇叭段两部分，波导段分为直波导段和脊波导段。直波导的作用是滤 除波导内被激励出来的TE20模，其长度应小于最高工作频率的半个波长；采用脊波导主要考虑加脊以 降低主模传输的截止频率。为了改善馈电段到喇叭段之间的匹配，需要把脊波导横截面积尺寸逐渐加 大，到喇叭口处面积最大，因而这部分结构可以近似为加脊喇叭。喇叭段的长度应大于最低工作波长的一半，这样才能保证阻抗转换过程中不激起高次模。喇叭口面的 大小由天线脊曲线大小来确定。当喇叭阻抗Z为如下形式时，具有较好的效果：Z=377+ZJ1-（ek（L-z）（L/2<z<L）（1）式（1）中，'为频率无限大时脊波导特性阻抗；L为喇叭的长度；k是常数；z是喇叭长度变量。L 值可由喇叭中点的阻抗作为两端阻抗的平均值来确定。脊形状是根据阻抗渐变表达式进行设计。通过 对模型进行多次调试，发现若给指数项再加上一次线性项,可以起到扩展频带的作用.三喇叭天线的设计3.1设计目的设计仿真一个TEM喇叭天线。3.2设计方案(1) 运用hfss仿真软件建立喇叭天线模型。(2) 仿真喇叭天线模型并分析其仿真结果3.3建立并仿真喇叭成线模型(1)建立喇叭天线模型。Properties: Project14Project Variables | Intrinsic Variables | Constants |C Sensitivity C Statistics6 ValueC Optimization C TuningNameValueUnitEvaluated Va.DescriptionRead-onlyHiddenSweep$a36cm36cm12cmi12cm$h16cm16cmR3cmi3cm$r12.5cm2.5cm$d1 $L $r2$d22 $b/30.5=3cm 2cm4cmcm 0.5cmcm -3cmrrFirr rWFWrWFrWFrr rWF上图为喇叭天线各变量的数值，波导长为12cm宽为4cm，喇叭口顶端长为36cm宽为12cm，高为 23cm脊波导宽为2cm圆轴半径为0.5cm长为4cm。根据以上数据对喇叭天线进行建模。S lP SolidsH vacuum亩 i_P CylinderlS 彰 Planes O Sheets± -O Unassigned白 N Coordinate SysterrGlobalRelativeCSIRelativeCS2RelativeCS3以上分别是喇叭波导的前视图与俯视图，在建立模型中，用到了两面之间的渐变为立体图形，布尔操 作切割脊波导等建模方法。(2)仿真天线模型建立好模型后设置激励源然后设置在0-10G范围内进行扫频Validation Check: Project14 - H FSSDesign!) HFSSDesignlValidation Check completed.、/ Design Settings/ 3D Model寸 Boundaries and Excitations.7 Mesh Operations寸 Analysis S eUp炒 Optimetrics寸 RadiationAborf.Close在试运行中检查模型边界条件扫频设置是否正确，然后开始进行仿真。四结果及分析仿真结束后得到结果图形分析所设计的仿真天线的性能。XY Plot 115 00 |12 50 10.00 7.50 5 00 2 50 0 00J®”i''I|Ii>I|II>II>I1I1I0.002.004.006.608 6oFreq GHz上图为设计的喇叭天线在0-10Ghz范围内的S参数图形，可以看出增益最高时约为5db，说明未 能达到此天线的最好增益，应继续修改天线的模型数据，来找出其最佳时的数据。五实验总结(1) 因为个人能力的差异，在本科阶段没有接触过这个专业的一些东西，包括理论知识、工具软 件等，因此在完成此报告时可能会有不妥之处，望老师见谅。(2) 通过这次简单的设计喇叭天线，初步学习了天线的理论知识以及掌握了 hfss仿真软件的做图 及仿真流程，为以后的深度的学习打下了基础。(3) 此次仿真只考察了喇叭天线的S参数，实际上还应考虑更多的关键参数。(4) 仿真软件计算的结果与实际的误差是不可避免的，因此许多实际工程制作中的问题也未能考 虑进去，只是通过软件简单的仿真了一下，并未将其做成实物在真实环境下测量也是此实验 的一大缺憾。