浙江大學(xué)電磁場與電磁波試驗第二次

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(xué) 院： 信息與電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 信息工程 學(xué) 號： xxxxxxxx 指導(dǎo)教師： 王子立 選課時間： 星期二9-10節(jié)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(chǎn)a票實驗報告課程名稱： 電磁場與微波實驗指導(dǎo)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(xué)生姓名：矩形波導(dǎo)饋電角錐喇叭天線CST仿真一、實驗?zāi)康暮鸵? 了解矩形波導(dǎo)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(jìn)行矩形波導(dǎo)饋電角錐喇叭天線設(shè)計和仿真。二、實驗內(nèi)容和原理喇叭天線概述喇叭天線是一種應(yīng)用廣泛的微波天線，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、頻帶寬、功率容量大、 調(diào)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(dāng)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(yīng)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(dǎo)和圓波導(dǎo)的開口面逐漸擴(kuò)展而形成的， 由于是波導(dǎo)開口面的逐漸擴(kuò)大，改善了波導(dǎo)與自由空間的匹配，使得波導(dǎo)中的反射系數(shù) 小，即波導(dǎo)中傳輸?shù)慕^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(dǎo)饋電的喇叭天線 根據(jù)喇叭擴(kuò)展的形式不同分為：E面扇形喇叭，由

4、擴(kuò)展 其窄邊形成；H面扇形喇叭，由擴(kuò)展其寬邊形成；角錐喇叭，由寬邊、窄邊同時擴(kuò)展 形成。三種類型的矩形波導(dǎo)饋電的喇叭天線示意圖如圖2 (a) - (c)所示。圓波導(dǎo)饋電的喇叭天線圓波導(dǎo)饋電的喇叭一般是圓錐喇叭，如圖 3 所示圖3圓波導(dǎo)饋電圓錐喇叭天線結(jié)構(gòu)示意圖實驗中采用的是矩形波導(dǎo)饋電的角錐喇叭天線。矩形波導(dǎo)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(dǎo)在寬邊和窄邊均按一定的角度張開的，結(jié)構(gòu)示意 圖如圖3所示。矩形波導(dǎo)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(nèi)虛頂點到口徑中點的距離為R1, E面(yz面)內(nèi)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(jié)構(gòu)示意圖(b) H面截圖(c) E而截圖根據(jù)實際矩形波導(dǎo)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(jù)工作的頻段，選擇X波段的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)作為饋電波導(dǎo)a=22.86mm , b=10.16mm。同時選擇合適的角錐參數(shù)DH=141 mm , DE=105mm,L=200mm獲得較好的天線 增益。矩形波導(dǎo)饋電的角錐喇叭天線的增益理論值對于矩形波導(dǎo)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?？梢杂孟鹿絹砉浪阍撎炀€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(shù)a , B，可由公式2-9求得。表1 G，AGe數(shù)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(jù)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(dǎo)饋電的角錐喇叭天線的 理論增益約為19.35dB。三、主要儀器設(shè)備裝有CST軟件的電腦四、操作方法和實驗步驟a. CST 初始設(shè)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(shù)設(shè)置Pa.ram.etef4VahieDE104型DH138.46F10.3L200Lambda29.1al22.S6bl10.16t2.54參數(shù)設(shè)置在實驗窗口的下方。 創(chuàng)建矩形點擊Modeling-Shape-Br

9、ick,直接按Esc鍵，彈出窗口，輸入數(shù)據(jù)，Layer選擇PEC 建立喇叭模型喇叭口徑面：Modeling-Curves-Rectangle；Modeling-Curve Tools-Cover Curve設(shè)置喇叭口徑面的空間位置：Modeling-Transform-Translate創(chuàng)建喇叭側(cè)壁：Modeling-Picks-Pick Face，選中漸變的兩個口徑面， Modeling-Loft，側(cè)壁創(chuàng)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(shè)置仿真條件 仿真頻率設(shè)置：Simulation-Frequency 仿真邊界條件設(shè)置：Simulation-Background （設(shè)置為 Normal）；Simulation-Boundaries（設(shè)置為 open （add space）；端口設(shè)置選取波導(dǎo)口面：Modeling-Picks-Pick Face；設(shè)置波導(dǎo)端口，輸入?yún)?shù)后確定模式 吸收數(shù)（Number of modes =5）： Simulation-Waveguide Port；設(shè)置監(jiān)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(shè)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(jié)果a.仿真設(shè)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(shè)置E-field, H-field and surface current監(jiān)視器，表面電流的仿真觀察基模電場分布：選擇左側(cè)菜單 2D/3D Results-Port Modes-Port1-e1

13、五、實驗結(jié)果與分析1. 模式仿真分析仿真最高頻率為14.6GHz,根據(jù)仿真結(jié)果可見此結(jié)構(gòu)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(jié)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?zāi)康暮鸵?、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(guān)系3、學(xué)會操作使用喇叭天線，并能進(jìn)行相應(yīng)的測量。4、能夠使用matlab對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，與理論值進(jìn)行匹配，分析實驗結(jié)果。二、實驗內(nèi)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(yīng)、效率等等。除此之外，天線發(fā)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(jī)接收到的信號大小跟收、發(fā)天 線的安裝方向有關(guān)。發(fā)射天線所發(fā)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(jī)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(fā)射端、接收端和天線移動架。發(fā)射端由固態(tài)振蕩 源、微波衰減器、小喇叭天線連接組成，并裝在一個旋轉(zhuǎn)云臺上。發(fā)射端喇叭天線可以 繞矩形波導(dǎo)軸向旋轉(zhuǎn)，由此可以改變發(fā)射電磁波的極化方向，其極化角度可從指示刻度 盤讀出；發(fā)射功率的大小可用微波衰減器來調(diào)節(jié)。云臺可在垂直面和水平面上轉(zhuǎn)動，用 于測量發(fā)射天線的方向性特性；發(fā)射端還裝有一個可移動的金屬柵網(wǎng)；天線移動架可以 使發(fā)射端沿著移動架軌道平移，從而改變收、發(fā)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(xiàn) 京市 H E其中R為收、發(fā)天線間距離。（本實驗R取收發(fā)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(shè)備喇叭天線四、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理相對歸一化公式：卬(攻)=io1 W/dBB)1. 根據(jù)測得的數(shù)據(jù)作出電磁波傳播與距離的關(guān)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(guān)系曲線接近1/R、1/R2,還是1/R3與理論預(yù)期值符合嗎？“ PGG九21

19、l ，F(xiàn)it 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(yīng)當(dāng)與1/R2接近，實驗測試值與理論結(jié)果有一定差距。誤差分析：實驗與理論符合較好，但還是與標(biāo)準(zhǔn)曲線還有一定的差距，據(jù)分析和當(dāng)時測量時 大氣環(huán)境，周圍人的走動都有關(guān)系。3、根據(jù)數(shù)據(jù)作出發(fā)射喇叭天線極化曲線，橫坐標(biāo)為天線極化角度e。發(fā)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(fā)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(fā)射喇叭天線極化角度e的關(guān)系是符合cos)還是cos2(0)關(guān)系？喇叭天線極化曲線0102030405060708090極化角度0/degree結(jié)果介于cos（0）和cos2（。）之間，更接近于cos（0）。我們和其他同學(xué)做的數(shù)據(jù)進(jìn)行交流以后，都發(fā)現(xiàn)了這個（2）如果發(fā)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(fā)射喇叭天線的極化角度為 45，極化器對系統(tǒng)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(fā)射天線計算遠(yuǎn)區(qū)場距離（工作頻率9.375GHz），實驗中是否符合遠(yuǎn)區(qū)場條件？%二c/f=3.2Rm，R=?m2D D符合遠(yuǎn)區(qū)場條件6、分別計算收、發(fā)天線理論增益，半功率波束寬度（假定1仁k）。有什么結(jié)論?發(fā)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(biāo)系分別繪制發(fā)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(zhuǎn)角實際測量值（dB）相對歸一化功率-90-80-80-80-70-80-60-840.01-50-