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口徑天線原理和效率及矩形波導仿真

發布時間:2022-09-15作者來源:金航標瀏覽:4402

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摘要:

大部分天線可以按照結構形式分為兩大類:線天線和尺寸遠大于工作頻率對應波長的口徑面天線。它們可以采用波導或喇叭的形式,其開口面可以是矩形、圓形、橢圓形等。飛入尋常百姓家的有曾經風靡一時的“衛星鍋”,微波暗室常用的波導探頭和校準喇叭天線等。

本文使用的軟件為CST 2018


0 1
口徑天線原理



口徑天線的分析模型如下圖所示,為一金屬面,為一開口面,共同構成一個封閉面,封閉面內有一輻射源。

微信圖片_20220915103300.png

從電磁波產生到對稱陣子天線一文中,通過引入元天線矢量磁位,對偶極子天線的電流分布進行積分得出了其遠區電磁場分布。類似地,求解口徑天線的遠區輻射場,首先要求得開口面上的矢量場分布;然后根據惠更斯-菲涅爾原理,把開口面離散化成許多小面元;最后在整個開口面上積分即可求得口面天線的輻射場。不過相比線天線的分析,口徑天線的公式難度直接上升了一個Level。

由電磁場理論可知,電流和磁流產生的矢量位分別為

經過理論家一系列的復雜操作,推導出了矩形口徑天線的遠場公式(點[敏感詞]公式左右滑動可看全部):

相比于線天線的一維積分,在得知口徑天線開口面的場分布后,要經過復雜的二重積分才能解開其遠場的“面紗”。

0 2
口徑效率



在一個給定的口徑面下,天線能實現多大的增益呢?大家第一時間肯定會想到這個公式:

不過對于口徑天線,其有效面積一般比其物理面積小,這是由于口徑天線的口徑面上電磁場呈現非均勻分布。若已知其口徑上的電場分布為則其口徑效率可由下式計算:

與傳統的線天線相比,即使面天線采用無損的金屬制作,其也難以達到比較高的口徑利用率。例如主模傳輸的矩形波導,其開口面上的口徑電場沿為余弦分布,沿軸為均勻分布:

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將口徑電場帶入到口徑效率計算公式可得(點[敏感詞]公式左右滑動可看全部):

易得最后的口徑效率為:

在這里推薦兩個好用的軟件:一個是mathpix snipping tool是一款特殊的OCR識別工具,可以識別數學公式然后將它轉換成LaTeX編輯器的代碼;另一個是Mathfuns,探索數學之美讓數學更簡單,手機上就可以操作。

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mathpix snipping tool

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Mathfuns


0 3
矩形波導的仿真



常見的口徑天線有喇叭天線,在后續介紹喇叭天線前,先對矩形波導進行一些仿真。

選取矩形波導的長寬比為2:1,22.43mm×11.77mm。理論計算矩形波導參數的Matlab代碼如下:

%Matlab計算矩形波導參數prompt = {'波導填充介質的介電常數:','波導寬邊尺寸(mm):','波導窄邊尺寸(mm):',"需計算的工作頻率(GHz):"};dlgtitle = 'Input';dims = [1 35];definput = {'1','23.53','11.77','10'};answer = inputdlg(prompt,dlgtitle,dims,definput);%矩形波導TE10模式截止頻率計算e0=1/36/pi*1e-9;u0=4*pi*1e-7;Er=str2double(answer{1});a=str2double(answer{2})*1e-3;b=str2double(answer{3})*1e-3;c=3*1e8;fre=str2double(answer{4})*1e9;m=1;n=0;fc=c/2/sqrt(Er)*sqrt((m/a)^2+(n/b)^2);beta_g=sqrt((2*pi*fre)^2*Er*e0*u0-(pi/a)^2);msgbox({strcat('TE',num2str(m),num2str(n),'模式的截止頻率為:',num2str(fc/1e9),'GHz'),...    strcat(num2str(fre/1e9),'GHz的波導相移常數為:',num2str(beta_g),'rad/m'),...    strcat(num2str(fre/1e9),'GHz的波導波長為:',num2str(2*pi/beta_g*1e3),'mm')});

微信圖片_20220915103330.png

在CST 2018仿真軟件中進行建模仿真,查看2D/3D Results中的Port Modes如下:

微信圖片_20220915103334.png

可以看出CST仿真結果的主模截止頻率為6.37GHz,相移常數為161.55 Rad/m,結果與理論計算值6.3748GHz和161.3655 Rad/m很接近。

對于矩形波導的激勵,一般可以采用同軸探針內探形式,如下圖所示:

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對于矩形波導主模TE10,其寬邊中心處的電場強度最大,因此同軸探針放置于寬邊中心。合理調整其探入深度和與后方金屬墻的距離,即可實現矩形波導TE10模式的激勵。雖然這種激勵也會激勵起一些高次模,但在單模傳輸頻率范圍內,這些高次模會很快衰減掉。

[敏感詞]截取了同軸激勵矩形波導的幾張截面電場分量圖。

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*本文的圖片部分來自CST2018軟件,致謝Markdown Nice提供的公式排版服務

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