浙江大学-电磁场与电磁波实验(第二次)

本科实验报告课程名称：电磁场与微波实验姓名：wzh学院：信息与电子工程学院专业：信息工程学号：xxxxxxxx指导教师：王子立选课时间：星期二9-10节2017年6月17日CopyrightAsonememberofInformationScienceandElectronicEngineeringInstituteofZhejiangUniversity,Isincerelyhopethiswillenableyoutoacquiremoretimetodowhateveryoulikeinsteadofstrugglingonuselesshomework.Allthecontentyoucanuseasyoulike.Iwishyouwillhaveameaningfuljourneyonyourcollegelife.——Wzh实验报告课程名称：电磁场与微波实验指导老师：王子立成绩：__________________实验名称：CST仿真、喇叭天线辐射特性测量实验类型：仿真和测量同组学生姓名：矩形波导馈电角锥喇叭天线CST仿真一、实验目的和要求1.了解矩形波导馈电角锥喇叭天线理论分析与增益理论值基本原理。2．熟悉CST软件的基本使用方法。3．利用CST软件进行矩形波导馈电角锥喇叭天线设计和仿真。二、实验内容和原理1.喇叭天线概述喇叭天线是一种应用广泛的微波天线，其优点是结构简单、频带宽、功率容量大、调整与使用方便。合理的选择喇叭尺寸，可以取得良好的辐射特性：相当尖锐的主瓣，较小副瓣和较高的增益。因此喇叭天线在军事和民用上应用都非常广泛，是一种常见的测试用天线。喇叭天线的基本形式是把矩形波导和圆波导的开口面逐渐扩展而形成的，由于是波导开口面的逐渐扩大，改善了波导与自由空间的匹配，使得波导中的反射系数小，即波导中传输的绝大部分能量由喇叭辐射出去，反射的能量很小。2.喇叭天线的分类矩形波导馈电的喇叭天线根据喇叭扩展的形式不同分为：E面扇形喇叭，由扩展其窄边形成；H面扇形喇叭，由扩展其宽边形成；角锥喇叭，由宽边、窄边同时扩展形成。三种类型的矩形波导馈电的喇叭天线示意图如图2（a）-（c）所示。圆波导馈电的喇叭天线圆波导馈电的喇叭一般是圆锥喇叭，如图3所示实验中采用的是矩形波导馈电的角锥喇叭天线。3.矩形波导馈电角锥喇叭天线理论分析1)尺寸确定角锥喇叭天线是对馈电的矩形波导在宽边和窄边均按一定的角度张开的，结构示意图如图3所示。矩形波导的尺寸为a×b，喇叭口径尺寸为DH×DE，喇叭高度为L，其H面（xz面）内虚顶点到口径中点的距离为R1，E面（yz面）内虚顶点到口径中心的距离为R2。根据实际矩形波导馈电角锥喇叭天线，该天线工作在X波段，工作频段为8.2-12.4GHz。根据工作的频段，选择X波段的标准矩形波导作为馈电波导a=22.86mm,b=10.16mm。同时选择合适的角锥参数DH=141mm,DE=105mm,L=200mm获得较好的天线增益。2)矩形波导馈电的角锥喇叭天线的增益理论值对于矩形波导的尺寸为a×b，喇叭口径尺寸为DH×DE，喇叭高度为L的角锥喇叭天线。可以用下公式来估算该天线的增益。ΔGG，ΔGE,可以由表1得，其中参数α，β,可由公式2-9求得。根据公式1-9以及表格1，可以估算出本实验中用到的矩形波导馈电的角锥喇叭天线的理论增益约为19.35dB。三、主要仪器设备装有CST软件的电脑四、操作方法和实验步骤a.CST初始设置打开CST软件，选择NewProject-MICROWAVES&RF-Antennas-Waveguide(Horn,Cone,etc.)-TimeDomain-Dimensions:mm;Frequency:GHz；b.建立模型①参数设置参数设置在实验窗口的下方。②创建矩形点击Modeling-Shape-Brick，直接按Esc键，弹出窗口，输入数据，Layer选择PEC③建立喇叭模型喇叭口径面：Modeling-Curves-Rectangle；Modeling-CurveTools-CoverCurve设置喇叭口径面的空间位置：Modeling-Transform-Translate创建喇叭侧壁：Modeling-Picks-PickFace，选中渐变的两个口径面，Modeling-Loft，侧壁创建完成全层相加：Modeling-Boolean-Add命令使整个PEC层变成一个物体。掏空：选择面：分别选取物体前后两个面掏空生成喇叭：Modeling-Shapetools-ShellSolidorThickenSheet；完成整个天线的CST建模。c.设置仿真条件①仿真频率设置：Simulation-Frequency②仿真边界条件设置：Simulation-Background(设置为Normal)；Simulation-Boundaries(设置为open(addspace))；③端口设置选取波导口面：Modeling-Picks-PickFace；设置波导端口，输入参数后确定模式吸收数（Numberofmodes=5）：Simulation-WaveguidePort；④设置监视器Simulation-FieldMonitor-Farfield（RCS）（中心频率：10.3GHz）。1.模式分析a.模式分析设置Simulation-StartSimulation-Sourcetype:AllPortsModes:AllSimulation-SetupSolverb模式仿真分析Simulation-Solver-Logfile-SolveLogfile；2.仿真及仿真结果a.仿真设置Simulation-StartSimulation-Stimulationsettings(Sourcetype:Port1;Mode:1)b.1DResults在1DResults中S11和驻波曲线c.Farfield①方向图：Farfield-AbsFarfeildPlot-DirectivityFarfeildPlot-Polar(Cutangle：90（phi）；StepSize：1)②增益：Farfeild-AbsFarfeildPlot-Gain(IEEE)FarfieldPlot-Polar(Cutangle：90（phi）；StepSize：1)d.E-field，H-field设置E-field，H-fieldandsurfacecurrent监视器，表面电流的仿真观察基模电场分布：选择左侧菜单2D/3DResults-PortModes-Port1-e1五、实验结果与分析1.模式仿真分析仿真最高频率为14.6GHz，根据仿真结果可见此结构喇叭天线中只传播一种模式的波。2.S11和驻波曲线3.VSWR曲线4.方向图:Farfield-Abs5.增益图:Farfield-Abs6．E-field,H-field表面电流仿真图端口基模电场图六、分析、讨论、心得本次实验我们接触了CST仿真，见识到了CST在电磁场仿真的直观性。从结果上来看，主瓣方向为φ=0°，θ=0°，主瓣宽度大约为18°，主瓣的最大增益为23.32dB，与理论值差不多。喇叭天线的辐射特性测量一、实验目的和要求1、揭示喇叭天线的幅射特性。2、覆盖的基本概念：1．天线辐射方向图2．波束宽度3．天线的极化特性4．电磁波在空间传播中与距离的关系3、学会操作使用喇叭天线，并能进行相应的测量。4、能够使用matlab对数据进行必要的处理，与理论值进行匹配，分析实验结果。二、实验内容和原理描述天线的参量很多，择其主要的有：天线方向性、辐射方向图、波束宽度、旁瓣电平、工作频率与响应、效率等等。除此之外，天线发射（或接收）的电磁波都具有极化特性，极化是指电磁波电场矢量的方向，所以接收机接收到的信号大小跟收、发天线的安装方向有关。发射天线所发射电磁波的极化方向与接收天线的极化方向一致时，接收信号最大，若两者正交，接收机将接收不到信号。本实验用3公分波段（8-12GHz）喇叭天线揭示天线方向性、波束宽度、波的极化特性。装置包括三部分：分别是信号发射端、接收端和天线移动架。发射端由固态振荡源、微波衰减器、小喇叭天线连接组成，并装在一个旋转云台上。发射端喇叭天线可以绕矩形波导轴向旋转，由此可以改变发射电磁波的极化方向，其极化角度可从指示刻度盘读出；发射功率的大小可用微波衰减器来调节。云台可在垂直面和水平面上转动，用于测量发射天线的方向性特性；发射端还装有一个可移动的金属栅网；天线移动架可以使发射端沿着移动架轨道平移，从而改变收、发喇叭天线之间的距离，其测量值可以从移动架上的刻度尺读取。接收端将喇叭天线与微波晶体检波器连接在一起固定不动。用到的方程为：其中R为收、发天线间距离。（本实验R取收发天线喇叭口之间的距离）。最佳角锥喇叭天线增益：（AP为喇叭口的面积）三、主要仪器设备喇叭天线四、实验数据记录和处理相对归一化公式：()20()10WdBWw1.根据测得的数据作出电磁波传播与距离的关系曲线距离R(m)实验测量值(dB)相对归一化功率1-4311.1-450.7943282351.2-45.30.7673614891.3-46.70.6531305531.4-47.50.5956621442、所作出的电磁波传播与距离的关系曲线接近1/R、1/R2，还是1/R3与理论预期值符合吗？看上去和1/R2比较符合。和理论值22(4)llrrPGGPR，曲线应当与1/R2接近，实验测试值与理论结果有一定差距。误差分析：实验与理论符合较好，但还是与标准曲线还有一定的差距，据分析和当时测量时大气环境，周围人的走动都有关系。3、根据数据作出发射喇叭天线极化曲线，横坐标为天线极化角度θ。发射喇叭天线角度q实验测量值(dB)相对归一化功率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°-77.80.024、（1）从发射喇叭天线极化特性曲线看，接收喇叭天线所接收到的功率与发射喇叭天线极化角度θ的关系是符合cos()还是2cos()关系？结果介于cos()和2cos()之间，更接近于cos()。我们和其他同学做的数据进行交流以后，都发现了这个（2）如果发射喇叭天线和接收喇叭天线的极化角相差90°，而极化器相对于发射喇叭天线的极化角度为45°，极化器对系统的影响如何？1cos(45)sin(45)2inoutoutIII接受波为入射波的1/2;5、对发射天线计算远区场距离（工作频率9.375GHz），实验中是否符合远区场条件？λ=c/f=3.2cm，2HEDDR=18.96cmR=1m2HEDDR符合远区场条件6、分别计算收、发天线理论增益，半功率波束宽度（假定1≈k）。有什么结论？1)发射喇叭天线240.5118.99pAGH面：0.521.180.46HradDE面：0.520.890.77EradD2)接收喇叭天线240.5192.66pAGH面：0.521.180.27HradDE面：0.520.890.27EradD口径越大，增益越大，半功率波束宽度越小。7、用极坐标系分别绘制发射喇叭天线在水平面上、垂直面上的方向图。天线水平方向转角实际测量值(dB)相对归一化功率-900-800-700-60-840.01-50-810.01-40-73.70.03-30-66.50.06-20-51.70.34-10-43.40.890-42.41.0010-44.60.7820-51.50.3530-64.80.0840-720.0350-78.20.0260-830.01700800900天线