【正文】 .................... 2 HFSS 與其它軟件的協(xié)同作用 ..................................................................... 3 軟件的計算原理 .................................................................................. 3 論文的主要內(nèi)容 .................................................................................................. 4 第 2 章理論基礎(chǔ) ............................................................................................................ 5 陣列天線的基本理論知識 .................................................................................. 5 電磁波的干涉和疊加原理 ........................................................................... 5 方向圖乘積定理 ........................................................................................... 7 對偶原理 ............................................................................................................. 9 電偶極子與磁偶極子的對偶 ....................................................................... 9 電流元和磁流元的對偶性 ......................................................................... 10 對偶原理的建立 ......................................................................................... 11 縫隙天線的輻射機理 ........................................................................................ 12 理想縫隙天線的輻射機理 ......................................................................... 12 波導(dǎo)縫隙的阻抗特性 ................................................................................. 13 波導(dǎo)縫隙天線的開縫機理 ......................................................................... 14 波導(dǎo)縫隙天線陣及其特點 ................................................................................ 15 本章小結(jié) ............................................................................................................ 16 第 3 章裂縫陣列天線的設(shè)計 ...................................................................................... 17 具體設(shè)計方案 .................................................................................................... 17 IV 波導(dǎo)縫隙陣列天線的總體設(shè)計思路 ......................................................... 17 單個縫隙的波導(dǎo)縫隙陣列天線的設(shè)計與仿真 ......................................... 19 20 縫波導(dǎo)縫隙陣列天線的設(shè)計與仿真 ................................................. 21 仿真結(jié)果與分析 ................................................................................................ 23 結(jié) 論 ............................................................................................................................ 24 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................ 25 致 謝 ...................................................................................................................... 26 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 1 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 第 1 章 緒論 課題研究的背景及意 義 隨著中國綜合國力和國際地位的日益提升，海洋領(lǐng)土逐步受到國人的重視，中國對發(fā)展藍(lán)海海軍的建設(shè)目標(biāo)已經(jīng)提上日程，船舶雷達(dá)天線的研究受到了前所未有的重視，同時也對天線系統(tǒng)提出了更高的要求。電磁仿真軟件 HFSS 能給出波導(dǎo)縫隙天線 的 2D、 3D 模型和 輻射方向圖， 根據(jù)對方向圖的要求，采用修正 的切比雪夫陣設(shè)計該天線各縫隙的電流分布。 作為 裂縫 陣列 天線的理論基礎(chǔ)， 從陣列天線的兩個最基本原理： 電磁波的干涉與疊加原理、方向圖乘積定理 出發(fā)，使我們對陣列天線有了更加清楚的認(rèn)識，然后從 對偶原理出發(fā)，分析了波導(dǎo)上單個縫隙的輻射機理和形式，并分析了由多個縫隙構(gòu)成的波導(dǎo)裂縫天線陣的特點，給出相關(guān)的計算公式。 縫隙天線具有輪廓低、重量輕、加工簡單、易于與物體共形、批量生產(chǎn)、電性能多樣化、寬帶和與 有源器件 和電路集成為統(tǒng)一的組件等諸多特點，適合大規(guī)模生產(chǎn)，能簡化整機的制作與調(diào)試，從而大大降低成本。 目前國際 國內(nèi) 上也 都 在大力開展船舶雷達(dá)的研制工作，但技術(shù)尚未成熟，并考慮到其成本比較高，大角度掃描狀態(tài)下很難實現(xiàn)低副瓣性能等實際困難，可以預(yù)見在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)，裂縫陣天線仍將是船舶雷達(dá)天線的首選。 1948 年 Stevenson 基于 波導(dǎo)的等效傳輸線理論及波導(dǎo)格林函數(shù)，取縫隙長度 λ/2（ λ 為工作波長），導(dǎo)出了各種形式縫隙的歸一化電阻（電導(dǎo)）的計算公式。 具體方法如下 ， 運用磁場連接性條件得到了兩個積分方程 在裂縫的上、下口徑上，將厚度為 t 的裂縫視作一個腔體，分別建立波導(dǎo)、半自由空間、裂縫墻體的格林函數(shù)，然后用矩量法計算裂縫口徑上電場眼裂縫長度方向的數(shù)值。為了提高雷達(dá)目標(biāo)觀察的分辨力，對天線波束要求越來越窄，也就是天線長度必須增加，但是當(dāng)天線長度超過脈沖寬度所對應(yīng)的某一范圍時，天線方向性圖就會變壞，甚至失效，這樣天線長度與脈沖寬度之 間就產(chǎn)生了矛盾，這個矛盾不解決，窄波束的大型雷達(dá)裂縫天線就無法形成。 HFSS 仿真軟件的介紹 HFSS 廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計算機、通信等多個領(lǐng)域。 HFSS 具有以下特點 ： 1. 具有仿真、可視化、立體建模、自動控制的功能，使得 3D EM 問題能快速而準(zhǔn)確地求解。這能解決任意的 3D 幾何問題，尤其是那些有復(fù)雜曲線和曲面的問題，當(dāng)然在局部會利用其它技術(shù)。 HFSS 10 新增了一種功能，即使存在這些情況，也能將其分割成最佳的微小網(wǎng)格后，進(jìn)行電磁場分析。 軟件的計算原理 總的來說， HFSS 軟件將所有要求解的微波 問題等效計算 N 端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的 S 矩陣，具體步驟如下： （ 1） 將結(jié)構(gòu)劃分為有限元網(wǎng)絡(luò)。 HFSS 求解微波問題的流程圖如圖 所示。 第 三 章設(shè)計了一種 寬邊縱向諧振式駐波 波導(dǎo)裂縫天線， 根據(jù)對方向圖的要求，采用切比雪夫陣設(shè)計該天線各縫隙的電流分布， 并用較為嚴(yán)格 史蒂文森 （ ） 法推導(dǎo) 波導(dǎo)裂縫的等效電導(dǎo) ， 先利用 HFSS 高頻仿真軟件建立單個縫隙的模型并進(jìn)行仿真 然后在利用這個單縫模型設(shè)計 20 縫的波導(dǎo)縫隙天線陣的模型，設(shè)置 各個 縫隙的偏移量，并借助 Ansoft 公司的高頻電磁仿真軟件 HFSS 進(jìn)行仿真。 這種組合造就了陣列天線。托馬斯在此基礎(chǔ)上，他于1801 年在一篇報告中發(fā)展了惠更斯的光學(xué)理論，提出了著名的“干涉原理”，也稱 “波的疊加原理”，并在光學(xué)中首次引入了“干涉”的概念。我們知道，天線在空間的輻射是天線上源電流產(chǎn)生的，若空間中存在滿足相干關(guān)系的多個電流（如一個電流分出的多個部分，施加在不同的天線單元上），則多個電流的輻射電磁場在空間中將發(fā)生疊加，形成干涉 現(xiàn)象，造成某些空間區(qū)域場同相疊加，場加強；某 些空間區(qū)域場反相疊加，場削弱；在另外一些區(qū)域場的疊加介于同相和反相之間，這樣就形成了空間中的電磁場的強弱分布。z ()4jk RLJ z ez dzR?? ??? ? （ ） 式中，源點到場點的距離 R 表示為 39。 39。 方向圖乘積定理 構(gòu)造陣列天線的另一個重要理論基礎(chǔ)是方向圖乘積定理。這 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 8 時，每個單元的位置坐標(biāo)記為 nz 。由于遠(yuǎn)場坐標(biāo)已經(jīng)用 ??r, ,?? 表示，而不再是 ?? ,xyz ，因而不會引起混淆。代人遠(yuǎn)場條件： 11nRr? （ ） 1 cosnrzR ??? （ ） 可得到 ??11. . . c o s00 ,4 n njk RNN jk znnenne Fer ?????????? ? ? ? ? ??? （ ） 式中，因子 cosnjkze ? 表示由于各單元的空間位置 nz 不同， 使輻射 電磁波在觀察角 ??,?? 產(chǎn)生的相對相位。對于面陣或其他形式的陣列天線，這一定理同樣是使用的。 對偶原理 電偶極子與磁偶極子的對偶 自由空間中電偶極子的中心位 置