基于卡塞格伦天线的椭球面天线的研究.doc

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1、本科毕业论文基于卡塞格伦天线的椭球面天线的研究XXX本科毕业论文基于卡塞格伦天线的椭球面天线的研究学 院： 理学院 专 业：10级电子信息科学与技术 学生 姓名： XXX 学 号： 指导 教师： XX 答辩 日期： 大学毕业设计(论文)任务书学院：理学院 系级教学单位：电子信息科学与技术系 学号学生姓名XXX专 业班 级微波技术题目题目名称基于卡塞格伦天线的椭球面天线的研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。2.文管类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研

2、课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容（1）学习并熟练掌握HFSS软件的操作；（2）进行椭球面天线辐射特性的模拟,结合方向图和理论知识，对其与卡塞格伦天线的不同之处进行分析；（3）概括椭球面天线的优点与技术瓶颈，并提出可行改良方案。基本要求（1）了解目前卡塞格伦天线的研究现状与设计方法；（2）利用HFSS软件进行卡塞格伦天线和椭球抛物面天线特性的模拟；（3）数据分析，分析不同参数条件的不同影响,与预期结果进行比较。参考资料1David M.Pozar.微波工程（第三版）.周乐柱，吴德明译.北京：电子工业版社，2006， 32-372 Warren L.Stutzman，Gary A

3、.Thiele.天线理论与设计（第2版）.北京：人民邮电出版社，2006，1-23 Thomas A.Milligan.现代天线设计.北京：电子工业出版社，2012，8-10周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅文献资料，获取卡塞格伦天线的原理介绍和椭球面特性参数。学习HFSS软件，创建天线模型，得到所设计天线的相关特性的模拟结果。数据分析,将对椭球面天线的相关特性进行分析讨论。开始毕业论文写作，基本完成论文的写作。论文修改及答辩指导教师：徐超职称：讲师 2014年3月10日系级教学单位审批： 年 月 日word文档 可自由复制编辑摘要20-21世纪，从雷达技术到广播、

4、手机卫星通讯，微波技术得到了广泛应用。为了达到更宽的带宽，天线的设计逐步向高频发展，各种各样的天线被应用到实践中，随着高性能计算方法及计算设备的快速发展，矩量法、有限元法、有限差分法等有效计算方法被应用到天线的设计中。这些方法的实际应用，不仅提高了天线的设计效率，而且大大降低了设计的成本。首先，本文介绍了卡塞格伦天线的背景和特点，以及椭球面天线特点。其次，介绍天线的求解原理和方法。天线的求解问题和所有电磁场问题一样，基于麦克斯韦方程组，进而求解电流元和磁流元的辐射场问题，再分析时变电磁场和求解天线问题的基本辐射单元惠更斯元和基本缝隙辐射元，最后将基本辐射单元矢量相加，求得天线的辐射参数。最后，

5、本文介绍了运用HFSS软件进行天线仿真的情况，为了提高仿真效率，利用HFSS与HFSS-IE协同仿真，取得了理想仿真结果，证明了HFSS-IE的实用性，对于反射面天线的设计有一定的意义。软件仿真结果与理论期望值进行了对比，结果表明椭球面天线具有良好的聚焦效果。关键词天线，卡塞格伦，椭球面，微波，聚焦word文档 可自由复制编辑AbstractIn 20-21 century , microwave technology has been widely used in radar technology, broadcasting and mobile satellite communicatio

6、ns. To achieve a wider bandwidth, the design of antenna are focused on higher frequency, and a variety of antennas are applied in practice. with the rapid development of high-performance computing methods and computing devices, matrix method, finite element method and finite difference method have b

7、een employed in the design process, which have not only improved the design efficiecy, but also reduced the cost of design.Firstly , the backgroud and the principle of the Cassegrain antenna are introduced in the paper, followed by the introduction of the characteristics of the ellipsoid antenna. Se

8、condly, the basic principles and solving methods of the antenna are shown. Similar to the electromagnetic issues, the solution of the antenna is based on the Maxwells equations, followed by the solving problems about the radiation field of electric current element and magnatic current element. By an

9、alysis of the time-varying electromagnetic field and the basic radiation element, Huygens element and basic slot element, the parameters of the antenna radiation can be obtained just by the vector addition of the basic radiation element.Finally, the effect using HFSS antenna simulation software is d

10、escribed in the paper. In order to improve the simulation efficiency, HFSS and HFSS-IE are both employed to achieve a synergy simulation, which is meaningful to the design of antenna. The simulation results are compared with the theoretical analysis, which showed that the ellipsoid antenna has good

11、focus effect .Keywords antenna, Cassegrain, ellipsoid, microwave, focus目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1卡塞格伦天线和椭球面天线介绍11.1.1卡塞格伦天线背景11.1.2卡塞格伦天线特点21.1.3椭球面天线特点31.2仿真软件概述31.3课题研究内容和论文结构安排3第2章 椭球面天线的基本理论52.1天线基本理论52.2有限元(Finite Element)法152.3椭球面与双曲面162.4椭球面天线设计思想182.5本章小结20第3章 椭球面天线的设计与仿真213.1天线馈源建模仿真213.2HF

12、SS与HFSS-IE联合仿真233.3天线仿真结果评价273.3.1天线性能参数评价273.3.2仿真结果与预期结果303.3.3仿真效率评价303.4本章小结31结论33参考文献35致谢37附录1 开题报告39附录2 文献综述43附录3 中期报告47附录4 中文译文48附录5 外文原文58第1章 绪论1.1 卡塞格伦天线和椭球面天线介绍1.1.1 卡塞格伦天线背景19世纪，英国物理学家詹姆斯麦克斯韦建立一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程 J.C.Maxwell,A Treatise on Electricity and MagnetismM.Dover, 1954,5

13、-15.。麦克斯韦方程组的提出，为无线电波和时变电磁场以及天线的研究提供了重要理论基础。1887年，赫兹为了验证麦克斯韦对于电磁波的预言，设计了第一个怪异的发射天线和一个环状接受天线 沈亮.卫星导航定位系统中的螺旋天线D.上海：上海大学硕士学位论文，2007:3-16.。以后，人们相继设计出线天线和面天线。（1）线天线人们认为波长越长的电磁波，在传播的过程中衰减越小，因此，为了实现远距离通信，采用的都是波长在1000米以上的电磁波。由于大地中的镜像电流与天线中的电流相反 丁红沙. 无线局域网中天线的研究与设计D.重庆:重庆邮电大学硕士论文，2011:15-20.，所以，水平放置的天线辐射性能比

14、较差。再加上水平极化波沿地面传播是衰减损耗比较大 胡楚锋，周洲，李南京等. 森林植被衰减系数极化特征研究J.西北工业大学学报，2012，30(1)：1-3.，所以这个阶段的天线都是垂直地面放置的。由于受到天线高度的限制，这些天线都是电小尺寸的天线。后来，人们发现短波也能传播较远的距离 苏丽娟. 短波接收机前端跟踪选频滤波器的研究与实现D.武汉：武汉理工大学硕士论文，2013：1-5.，这是由于空间电离层对短波电波的反射作用，从而设计出用于短波和中波通信的天线，应用于短波和中波的典型天线有偶极子天线、环形天线、八木宇田天线等，这些天线的设计提高了天线的增益、方向性、和效率以及带宽。同时，这一时期

15、天线的理论也有了较大发展。（2）面天线20世纪30年代，由于微波电子管的发展，震荡源的频率被大幅提高，面状天线被大量开发出来 David M.Pozar. Microwave Engineering Fourth EditionM.JohnWiley&Sons, Inc.，2011,604-650.。包括应用声学原理的喇叭天线 Manojit Pramanik Lihong V. Wang. Thermoacoustic and photoacoustic sens- ing of temperatureJ. Journal of Biomedical Optics,2009,14(5)：2-

16、6.和应用光学的反射面天线、透镜天线。这些天线利用声学的扩散原理，光学的反射、折射、聚焦等原理来提高天线的增益。第二次世界大战期间，雷达的应用，促使人们对结构简单的聚焦反射面天线进行了大量的研究。远距离无线电通讯和高分辨率雷达要求天线具有高增益，而在微波波段的反射面天线可达到超过30dB的增益 康行健天线原理与设计M.北京理工大学出版社，1993：361-365.，反射面天线恰好满足通信发展的要求。由馈源和抛物面形状的金属反射面两部分组成的抛物面天线被设计出来。抛物面天线把馈源方向性较差的辐射，改变成辐射方向性较好的辐射，但由于馈源在前端，抛物面天线存在结构复杂、口面场分布不均匀等缺点，根据施

17、密特-卡塞格伦望远镜原理，卡赛格伦天线被开发出来。上世纪70年代，随着通信技术的发展，无线信道拥挤，无线通信向高频和频率复用方向发展 M.T.Islam，N.Misran，M.N.Shakib等，Coplannar Waveguide Fed Micro- strip Patch AntennaJ.Infornation Technology Journal,2010,9(2): 367-370.，卡塞格伦天线在内的反射面天线受到重视。波纹喇叭高效馈源和波导等大功率传输线的出现马金仓.适合高频波波纹喇叭的制造工艺J.电子工艺技术，1989年02期:1-3.，以及高速计算机和高效计算方法的应用，

18、卡塞格伦天线家族得到了快速发展。1.1.2 卡塞格伦天线特点相对于普通抛物面天线，它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式，这使天线的结构较为紧凑，制作起来也比较方便克劳斯天线M.电子工业出版社2002：546-550。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线，而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近于常数艾利奥特.天线理论与设计M.国防工业出版社.1992：539-605.，因而空间衰耗对馈电器辐射的影响要小，使得卡塞格伦天线的效率比标准抛物面天线要高。因此，卡塞格伦天线比普通抛物面天线更具优势，被更广泛地应用于实际工程领域。图 1 卡塞格伦天线1.1.3 椭球面天线

19、特点椭球面天线是一种聚焦天线，目前对其研究较少，常应用于测量电磁材料特性参数、微波医疗设备等肖辰飞，吕善伟，吴东梅等椭球反射面聚焦天线的设计和仿真J.电子测量技术，2006，29(5)：1-2.。椭球面天线采用和卡赛格伦天线类似的馈电方式，有很好的聚焦效果，可以将有限的电磁能量聚焦到特定点，。1.2 仿真软件概述 在天线设计过程中，使用的软件是HFSS（High Frequent Structure Simulator）软件，二十多年来，HFSS具有仿真精度和可靠性、仿真速度快、方便易用、自适应网格剖分技术稳定成熟等特点，现今已成为高频工程项目设计的首选工具和行业标准。HFSS采用有限元法进行

20、三维全电波仿真王萌,张玉,梁昌洪. 有限元法与UTD结合计算机载天线方向图J. 电波科学学报,2005年02期：1-3.，主要用于高频器件的仿真设计。HFSS可为天线的设计提供全面的仿真帮助，精确计算天线的各种性能参数，包括三维远场/近场辐射方向图天线增益、天线阻抗、电压驻波比、轴比、S参数等。 1.3 课题研究内容和论文结构安排对于天线的设计主要涉及天线的尺寸、结果、方向图以及驻波比等参数的分析。本文通过对天线结构的仿真与预计的结果进行对比，证明本设计的意义。全文共分为3个章节，各个章节的内容如下： 第1章 绪论：在绪论中介绍了卡塞格伦天线和椭球面天线，概述了二者特点，并对仿真软件进行了介绍

21、；第2章 介绍天线的辐射原理和分析方法，卡塞格伦天线和椭球面天线的几何结构，以及相应结果给天线带来的特点；第3章 介绍椭球面天线设计与仿真结果，以及对解的评价。word文档 可自由复制编辑第2章 椭球面天线的基本理论2.1 天线基本理论一、发射天线基本理论在无线电系统中，天线是辐射或接收电磁波的装置，是至关重要的环节。在无线电发送端，天线把载有信息的导行电磁波转换为辐射电磁波；在接收端则相反，即把载有信息的辐射电磁波转换为导行电磁波殷际杰，贾世楼.微波技术与天线M.电子工业出版社，2004:219-222.，或者说是电压和电流。天线的理论的研究是首先研究发射天线所产生的辐射电磁波在空间的分布规

22、律，求解发射天线的辐射场问题，属于电磁场理论中由已知场分布求其场在空间分布问题。至于接收天线问题，则是在研究发射天线的基础上，借助于电路理论中的互易定理建立天线发射与接受状态之间的关系而获得所需要的结果樊振宏，沙侃，丁大志天线收发互易原理的教学研究J.电气电子教学学报，2010，32(01)：1-2.。在电磁场复杂的计算过程中，为了提高计算效率和计算准确度，往往借助计算软件来帮助求解。1.麦克斯韦方程组天线分析设计的基础是麦克斯韦方程组陈方亮. 弯曲八木天线的矩量法分析与设计D.南京：南京邮电大学硕士学位论文，2007：1-4.。自电磁感应现象被发现以来，人们逐渐认识到，变化的电场产生磁场，变

23、化的磁场伴随着变化的电场。从此，对电和磁现象进行了深入理论分析，形成了完整、系统的电磁理论。其中，库仑定律，磁性定律，安培定律，法拉第电磁感应定律是最基本的电磁理论，给出了电磁现象的定量解释。麦克斯韦将这四个定理予以整理，得到麦克斯韦方程组。由麦克斯韦方程组可推断出变化的电磁场可以波的形式向空间传播，这一推断成为电磁波辐射理论的重要基础。麦克斯韦方程组其数学形式经过奥利弗亥维赛和约西亚吉布斯简化为由四个方程组成的如下方程组：（2-1）辐射电场量的时谐表达式为： （2-2）利用方程组中、之间的如下关系：(2-3) 由以上三式可得时谐场麦克斯韦方程组为(2-4) 麦克斯韦方程组在电磁学中占有重要地

24、位，是求解电磁场问题的基础。2.电流元、磁流元辐射场电磁波是向空间传播的时变电磁场，它是由于电磁场的扰动引起的，但电荷沿着导体匀速运动的时候，不会产生辐射电磁波，只有当电荷沿着导体做往返做加速和减速运动的时候，才会形成辐射电磁波。天线辐射场的产生是基本单元的辐射场的叠加，对于基本辐射单元的理解，有助于对天线的求解。（一）电流元磁场的规律是电流元（current elemen）也被称为电偶极子。电流在其周围产生磁场，磁场的形式规律就是电流元产生磁场和该电流元的关系。所指的电流，是矢量线元，矢量的方向。电磁学中把很短相对于波长很短的一段电流I与导线长度L的乘积IL称为电流元。电流元不能孤立地存在，

25、对于电流元的分析，首先毕由毕奥和萨法尔根据对电流的磁作用的实验结果分析得到的张三慧.电磁学M.北京：清华大学出版社，2009：244-250.。直径为d，长度为l的一段载流导线，就可以认为是一个电流元，其中，dlb0)；其中a2-c2=b2(2-19)当椭圆焦点在y轴时，椭圆的标准方程是：y2/a2+x2/b2=1，(ab0)，其中a2-c2=b2(2-20) 从椭圆一个焦点o1发出的射线，经椭圆反射后被聚焦到椭圆的另一个焦点o2，因此，在椭圆的焦点o2处得到较大场强。椭圆绕长抽旋转扫掠180度，即得到椭球面： 椭圆长轴 图2-8a 椭圆旋转成椭球面图2-8b 椭球面光学特性如上图所示，位于椭

26、球面一个焦点处的光源发出的光线，经过椭球内表面反射后，会汇聚于椭球面的另一个焦点。（2） 双曲面双曲线标准方程：当双曲线焦点在x轴时，椭圆的标准方程是：x2/a2-y2/b2=1；其中a2+b2=c2(2-21)当双曲线焦点在y轴时，椭圆的标准方程是：y2/a2-x2/b2=1；其中a2+b2=c2(2-22)双曲线绕实抽旋转180度，即得到双曲面：图2-9a 双曲线旋转成双曲面 图2-9b 双曲面光学特性如图2-9b所示，位于双曲面一个焦点处的光源发出的光线，经过双曲面面反射后，就相当于由双曲面的虚焦点直接发射出的射线。2.4 椭球面天线设计思想一、卡塞格伦天线原理卡塞格伦天线是一种常用天线

27、,尤其是在微波通信中，它从抛物面演变而来。卡赛格伦天线是根据卡赛格伦光学望远镜工作原理，利用电磁波的反射原理设计的一种微波射频天线。卡塞格伦天线由主反射面、副发射面和馈源三部分组成。其中，主反射面为一旋转抛物面，副反射面为一双曲线绕实轴旋转形成的双曲面。抛物面的焦点和双曲面的一个焦点重合，双曲面和抛物面的对称轴重合，天线馈源位于双曲面的另一个焦点处。 等相位面副反射面主反射面F1F图2-10 卡塞格伦天线工作原理图当天线馈源位于旋转双曲面的一个焦点F1处时，由F1发出的波束经过双曲面反射后，就相当于从双曲面的焦点F直接发射出的波束。又因为从抛物面焦点处发出的波束经过抛物面反射后，平行辐射到空间

28、，因此，只要双曲面的焦点F与抛物面的焦点重合，就可使副反射面反射到主反射面上的波束被抛物面反射成平面波辐射出去。卡塞格伦天线相对于抛物面天线，它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式，这使天线的结构较为紧凑，制作起来也比较方便。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线，而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近于常数，因而空间衰耗对馈电器辐射的影响要小，使得卡塞格伦微波通信的效率比标准抛物面天线要高，波束为针状，且由于卡赛格伦天线口径面为圆形，故可用作跟踪雷达天线。二、椭球面天线工作原理椭球面天线和卡塞格伦天线类似，主要利用高频电磁波准光学特性，即反射性较强的特性。本文所

29、设计的椭球面天线也是由主反射面、副反射面和馈源三部分组成。其中，主反射面为一椭球面，副反射面为一双曲线绕实轴旋转形成的双曲面。椭球面的焦点和双曲面的一个焦点重合，双曲面和椭球面的对称轴共线，天线馈源位于双曲面的另一个焦点处。馈源F1图2-11 椭球面天线工作原理图当天线馈源位于旋转双曲面的一个焦点F1处时，由F1发出的波束经过双曲面反射后，就相当于从双曲面和椭球面公共焦点o1直接发射出的波束。又因为从椭球面一个焦点o1处发出的波束经过椭球面反射后，聚焦到椭球面的另一个焦点o2处，因此，只要椭球面的特定焦点与双曲面的特定焦点重合，就可使副反射面反射到主反射面上的波束被椭球面反射后聚焦到椭球面的另

30、一个焦点，椭球面天线同样具有结构紧凑的特点， 2.5 本章小结天线用来辐射或接收电磁波，将自由空间的辐射电波与传输线中的导行电磁波进行相互转化。天线在无线电波的发射和接收过程中，是必不可少的组成部分，对天线理论的深入理解，有助于我们设计更高效的天线，同时减少工作量，缩短过程周期。总结起来，本章阐述了以下内容：1. 从麦克斯韦方程组出发，求解电磁场问题的原理方法；2. 从电流元、磁流元的角度阐述电磁波的辐射产生；3. 天线的基本辐射元：基本口径面辐射源和基本缝隙辐射源；4. 研究天线问题的基本方法之一：有限元法；5.双曲面和椭球面的几何光学性质；6.卡塞格伦天线和椭球面天线的原理特点。本章论述的

31、是天线分析的基本理论部分，为后续天线的设计分析提供理论基础。第3章 椭球面天线的设计与仿真对于面天线的研究，从电流元或磁流元这些原场源出发，扩展到基本口径面辐射源惠更斯元，再对一定数量的惠更斯元进行矢量求和，来求解天线的辐射场问题。随着计算机硬件技术和软件计算的快速发展，计算机越来越成为天线设计工程师重要的工具手段。针对椭球面天线的研究，在对麦克斯韦方程组求解基础上，结合光学原理，采用日臻完善的计算机手段进行求解。3.1 天线馈源建模仿真 本文设计的天线采用后置馈源的方式，天线馈源采用圆锥喇叭天线。圆锥喇叭较高的工作频率，辐射天线图对称性较好，结构简单，建模方便，较适合本次天线的设计。馈源材料选择理想导体材料，馈电端口采用线极化波进行馈电，并设定积分线来限定馈电的极化方向和模式。对馈源进行仿真与优化设计，得到了满足技术要求的参数结果。 图3-2 馈源端口模型示意图图3-1 馈源结构模型示意图图3-3为圆锥喇叭馈源电压驻波比随频率变化的关系曲线，由图3-3可见，在要求的工作频率范围内，电压驻波比小于1.5，即，小于4%的能量被返回，损耗小于0.2dB，满足设计指标要求，如果电压驻波比过大，不仅辐射到空间电磁波能量减少，降低效率，而且返回的电波能量将返回发射机