1、沏戶/步本科實驗報告課程名稱： 電磁場與微波實驗 姓 名： wzh 學 院： 信息與電子工程學院 專 業： 信息工程 學 號： xxxxxxxx 指導教師： 王子立 選課時間： 星期二9-10節2017年 6月 17日CopyrightAs one member of Information Science and Electronic Engineering Institute of Zhejiang University, I sincerely hope this will enable you to acquire more time to do whatever you like i

2、nstead of struggling on useless homework. All the content you can use as you like. I wish you will have a meaningful journey on your college life.沏產a票實驗報告課程名稱： 電磁場與微波實驗指導老師： 王子立 成績：實驗名稱：CST仿真、喇叭天線輻射特性測量實驗類型：仿真和測量同組學生姓名：矩形波導饋電角錐喇叭天線CST仿真一、實驗目的和要求. 了解矩形波導饋電角錐喇叭天線理論分析與增益理論值基本原理。.熟悉CST軟件的基本使用方法。.利用CST軟件

3、進行矩形波導饋電角錐喇叭天線設計和仿真。二、實驗內容和原理喇叭天線概述喇叭天線是一種應用廣泛的微波天線，其優點是結構簡單、頻帶寬、功率容量大、 調整與使用方便。合理的選擇喇叭尺寸，可以取得良好的輻射特性：相當尖銳的主瓣， 較小副瓣和較高的增益。因此喇叭天線在軍事和民用上應用都非常廣泛，是一種常見的 測試用天線。喇叭天線的基本形式是把矩形波導和圓波導的開口面逐漸擴展而形成的， 由于是波導開口面的逐漸擴大，改善了波導與自由空間的匹配，使得波導中的反射系數 小，即波導中傳輸的絕大部分能量由喇叭輻射出去，反射的能量很小。喇叭天線的分類矩形波導饋電的喇叭天線 根據喇叭擴展的形式不同分為：E面扇形喇叭，由

4、擴展 其窄邊形成；H面扇形喇叭，由擴展其寬邊形成；角錐喇叭，由寬邊、窄邊同時擴展 形成。三種類型的矩形波導饋電的喇叭天線示意圖如圖2 (a) - (c)所示。圓波導饋電的喇叭天線圓波導饋電的喇叭一般是圓錐喇叭，如圖 3 所示圖3圓波導饋電圓錐喇叭天線結構示意圖實驗中采用的是矩形波導饋電的角錐喇叭天線。矩形波導饋電角錐喇叭天線理論分析尺寸確定角錐喇叭天線是對饋電的矩形波導在寬邊和窄邊均按一定的角度張開的，結構示意 圖如圖3所示。矩形波導的尺寸為axb,喇叭口徑尺寸為DHXDE,喇叭高度為L,其H 面(xz面)內虛頂點到口徑中點的距離為R1, E面(yz面)內虛頂點到口徑中心的距 離為R2。(a)

5、幾何圖形圖3角錐喇叭天線的結構示意圖(b) H面截圖(c) E而截圖根據實際矩形波導饋電角錐喇叭天線，該天線工作在 X 波段，工作頻段為12.4GHz。根據工作的頻段，選擇X波段的標準矩形波導作為饋電波導a=22.86mm , b=10.16mm。同時選擇合適的角錐參數DH=141 mm , DE=105mm,L=200mm獲得較好的天線 增益。矩形波導饋電的角錐喇叭天線的增益理論值對于矩形波導的尺寸為*上喇叭口徑尺寸為0口*0,喇叭高度為L的角錐喇叭 天線。可以用下公式來估算該天線的增益。G = 10.8 + 10lg(D“ xDe/A2)-NGh -AGE(dB) Gg， GE，可以由表1

6、得，其中參數a , B，可由公式2-9求得。表1 G，AGe數值表Gh迅0.10000.00110.00241.60000.29190.61570.20000.00460.00951.70000.32920.69600.30000.01030.02141.80000.36880.78130.40000.01840.03811.90000.41050.87180.50000.02870.05962.00000.45440.96750.60000.04130.08582.10000.50031.06830.70000.05620.11692.20000.54851.17440.80000.0733

7、0.15282.30000.59871.28580.90000.09280.19352.40000.65101.40251.00000.11450.23912.50000.70541.52471.10000.13840.28952.60000.76181.65221.20000.16460.34482.70000.82031.78531.30000.19310.40512.80000.88071.92401.40000.22380.47032.90000.94312.06821.50000.25680.54053.00001.00742.2180根據公式1-9以及表格1，可以估算出本實驗中用到

8、的矩形波導饋電的角錐喇叭天線的 理論增益約為19.35dB。三、主要儀器設備裝有CST軟件的電腦四、操作方法和實驗步驟a. CST 初始設置打開 CST 軟件，選擇 New Project-MICROWAVES&RF-AntennasWaveguide(Horn,Cone,etc.)-TimeDomain-Dimensions:mm;Frequency:GHz；b. 建立模型 參數設置Pa.ram.etef4VahieDE104型DH138.46F10.3L200Lambda29.1al22.S6bl10.16t2.54參數設置在實驗窗口的下方。 創建矩形點擊Modeling-Shape-Br

9、ick,直接按Esc鍵，彈出窗口，輸入數據，Layer選擇PEC 建立喇叭模型喇叭口徑面：Modeling-Curves-Rectangle；Modeling-Curve Tools-Cover Curve設置喇叭口徑面的空間位置：Modeling-Transform-Translate創建喇叭側壁：Modeling-Picks-Pick Face，選中漸變的兩個口徑面， Modeling-Loft，側壁創建完成全層相加：Modeling-Boolean-Add命令使整個PEC層變成一個物體。掏空：選擇面：分別選取物體前后兩個面掏空生成喇叭：Modeling-Shape tools-Shell

10、 Solid or Thicken Sheet；完成整個天線的CST建模。c. 設置仿真條件 仿真頻率設置：Simulation-Frequency 仿真邊界條件設置：Simulation-Background （設置為 Normal）；Simulation-Boundaries（設置為 open （add space）；端口設置選取波導口面：Modeling-Picks-Pick Face；設置波導端口，輸入參數后確定模式 吸收數（Number of modes =5）： Simulation-Waveguide Port；設置監視器Simulation-Field Monitor-Farf

11、ield（RCS）（中心頻率：10.3GHz）。模式分析a. 模式分析設置Simulation-Start Simulation-Source type: All Ports Modes: All Simulation-Setup Solverb 模式仿真分析Simulation-Solver-Logfile-Solve Logfile；仿真及仿真結果a.仿真設置Simulation-Start Simulation-Stimulation settings （Source type :Port 1;Mode :1）b.1D Results在1D Results中S1和駐波曲線c.Farfie

12、ld方向圖：Farfield-AbsFarfeild Plot-DirectivityFarfeild Plot-Polar(Cut angle：90(phi)； Step Size：1)增益：Farfeild-AbsFarfeild Plot-Gain(IEEE)Farfield Plot- Polar(Cut angle：90(phi)； Step Size：1)d.E-field，H-field設置E-field, H-field and surface current監視器，表面電流的仿真觀察基模電場分布：選擇左側菜單 2D/3D Results-Port Modes-Port1-e1

13、五、實驗結果與分析1. 模式仿真分析仿真最高頻率為14.6GHz,根據仿真結果可見此結構喇叭天線中只傳播一種模式的波。2. S11和駐波曲線Frequency / GHzS-Parameters Magnitude in dB10.551(1)4(1)3. VSWR曲線1.18Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)Frequency / GHz10.511.5VSWRl(l)1.081.064.方向圖:Farfield-AbsFarfield Directivity Abs (Phi=90)30Phi=270Phi= 9030Theta / Degree vs.

14、dBifarfield (f= 10.3) 1(1)Frequency = 10.3Main lobe magnitude =20.9 dBiMain lobe direction = 0.0 deg.Angular width (3 dB) = 14.1 deg.Side lobe level = -10.7 dB150一一I1801505.增益圖:Farfield-AbsTypeFarfieldApproximationenabled (kR 1)Monitorfarfield (f=10.3) 1(1)ComponentAbsOutputGainFrequency10.3Rad. eff

15、ic.-0.06266 dBTot. effic.-0.07544 dBGain20.82 dB3DSchematicFari eldsari eld ( =10. 3) 1 (1) ABs I Parameter Vi ew6E-field,H-field表面電流仿真圖端口基模電場圖六、分析、討論、心得本次實驗我們接觸了 CST仿真，見識到了 CST在電磁場仿真的直觀性。從結果上來看， 主瓣方向為=0，e =0，主瓣寬度大約為18，主瓣的最大增益為23.32dB，與理論值 差不多。喇叭天線的輻射特性測量、實驗目的和要求1、揭示喇叭天線的幅射特性。2、覆蓋的基本概念：1天線輻射方向圖2波束寬度

16、3天線的極化特性4電磁波在空間傳播中與距離的關系3、學會操作使用喇叭天線，并能進行相應的測量。4、能夠使用matlab對數據進行必要的處理，與理論值進行匹配，分析實驗結果。二、實驗內容和原理描述天線的參量很多，擇其主要的有：天線方向性、輻射方向圖、波束寬度、旁瓣 電平、工作頻率與響應、效率等等。除此之外，天線發射（或接收）的電磁波都具有 極化特性，極化是指電磁波電場矢量的方向，所以接收機接收到的信號大小跟收、發天 線的安裝方向有關。發射天線所發射電磁波的極化方向與接收天線的極化方向一致時， 接收信號最大，若兩者正交，接收機將接收不到信號。本實驗用3公分波段（8-126出）喇叭天線揭示天線方向性

17、、波束寬度、波的極化 特性。裝置包括三部分：分別是信號發射端、接收端和天線移動架。發射端由固態振蕩 源、微波衰減器、小喇叭天線連接組成，并裝在一個旋轉云臺上。發射端喇叭天線可以 繞矩形波導軸向旋轉，由此可以改變發射電磁波的極化方向，其極化角度可從指示刻度 盤讀出；發射功率的大小可用微波衰減器來調節。云臺可在垂直面和水平面上轉動，用 于測量發射天線的方向性特性；發射端還裝有一個可移動的金屬柵網；天線移動架可以 使發射端沿著移動架軌道平移，從而改變收、發喇叭天線之間的距離，其測量值可以從 移動架上的刻度尺讀取。接收端將喇叭天線與微波晶體檢波器連接在一起固定不動。用到的方程為：A與胃/ 8 93 5

18、 次現 京市 H E其中R為收、發天線間距離。（本實驗R取收發天線喇叭口之間的距離）。G = 0.51最佳角錐喇叭天線增益：（AP為喇叭口的面積）三、主要儀器設備喇叭天線四、實驗數據記錄和處理相對歸一化公式：卬(攻)=io1 W/dBB)1. 根據測得的數據作出電磁波傳播與距離的關系曲線距離R(m)1-4311.1-450.7943282351.2-45.30.7673614891.3-46.70.6531305531.4-47.50.595662144實驗測量值(dB)相對歸一化功率2、所作出的電磁波傳播與距離的關系曲線接近1/R、1/R2,還是1/R3與理論預期值符合嗎？“ PGG九21

19、l ，Fit i /c r【.上士 人f = l 1r看上去和1/R2比較符合。和理論值r(4兀R)2 ，曲線應當與1/R2接近，實驗測試值與理論結果有一定差距。誤差分析：實驗與理論符合較好，但還是與標準曲線還有一定的差距，據分析和當時測量時 大氣環境，周圍人的走動都有關系。3、根據數據作出發射喇叭天線極化曲線，橫坐標為天線極化角度e。發射喇叭天線角度q實驗測量值(dB)相對歸一化功率0-43110 -43.30.9720 -43.80.9130 -44.60.8340 -45.80.7250 -47.80.5860 -51.30.3870 -56.30.2280 -64.20.0990 -7

20、7.80.02喇叭天線極化曲線0102030405060708090極化角度0/degree4、(1)從發射喇叭天線極化特性曲線看，接收喇叭天線所接收到的功率與發射喇叭天線極化角度e的關系是符合cos)還是cos2(0)關系？喇叭天線極化曲線0102030405060708090極化角度0/degree結果介于cos（0）和cos2（。）之間，更接近于cos（0）。我們和其他同學做的數據進行交流以后，都發現了這個（2）如果發射喇叭天線和接收喇叭天線的極化角相差 90 ，而極化器相對于發射喇叭天線的極化角度為 45，極化器對系統的影響如何？I = I cos（45。）sin（45 ） = Iin

21、 out2 out接受波為入射波的1/2;5、對發射天線計算遠區場距離（工作頻率9.375GHz），實驗中是否符合遠區場條件？%二c/f=3.2Rm，R=?m2D D符合遠區場條件6、分別計算收、發天線理論增益，半功率波束寬度（假定1仁k）。有什么結論?發射喇叭天線4兀AG = 0.51= 18.99九2H 面：20 氏 1.18 工; 0.46 rad 0.5DHE 面：20 工 0.89L = 0.77 rad 0.5DE接收喇叭天線4兀AG = 0.51 = 92.66九2H 面：20 氏 1.181=0.27 rad 0.5DHE 面：20 氏 0.89L = 0.27 rad 0.5DE口徑越大，增益越大，半功率波束寬度越小。7、用極坐標系分別繪制發射喇叭天線在水平面上、垂直面上的方向圖。天線水平方向轉角實際測量值（dB）相對歸一化功率-90-80-80-80-70-80-60-840.01-50-