波导缝隙天线的设计仿真方案详细教程
X波段波导缝隙全向天线的仿真设计
- 140 - Ansoft2004年用户通讯X波段波导缝隙全向天线的仿真设计成玲玲 倪文俊 蒋凡杰（中国电子科技集团公司第51研究所上海201802）摘 要：波导缝隙天线的严格解计算复杂，对于缝隙的诸多参数很难确定。
本文用Ansoft HFSS 9.2电磁仿真软件对所设计的波导缝隙全向天线进行建模、计算分析，并进行参数扫描，得到了优化的尺寸参数。
根据该尺寸进行样品加工和测试，测试结果和仿真值相当吻合。
关键词：波导缝隙全向天线、 Ansoft HFSS、电磁仿真一 引言X波段水平极化全向天线常用作雷达信标天线，应用场合相当广泛。
其实现方法主要有圆波导开槽、同轴线型裂缝槽、向并联裂缝（即双面缝隙）t, 缝隙间距p, 以及最后一对缝隙离波导顶端短路面的距离D。
波导缝隙全向天线属于由驻波激励的谐振缝隙阵。
对于这类天线的设计计算方法，诸多文献均有论述[1][2]。
但参考文献中对缝隙导纳的计算公式均是基于常规单面波导缝进行的，当用于扁波导双面缝隙时，存在一定偏差。
以往设计时，通常要经过大量的调试测试工作，才能最终确定天线尺寸参数，设计周期长、研制成本高、调试工作量大。
所以必须要寻求新的设计方法。
Ansoft HFSS是基于有限元方法的高频电磁场仿真分析软件，能对任意三维结构的电磁场进行分析计算，并能得出特性阻抗、S参数、辐射场、天线方向图等结果。
HFSS 9还具有参数化建模、参数扫描分析、优化等功能，适合于天线等电磁问题的求解。
本文利用HFSS 9.2进行波导缝隙全向天线的仿真设计，并根据设计结果进行了样品加工和电性能测试。
二 仿真设计方法本文所设计的波导缝隙全向天线工作于X波段，用作雷达信标天线，其主要技术指标为：z工作频率：9200～9500MHzz天线增益：≧6dBiz极化形式：水平极化z电压驻波比：≦1.8:1z水平面方向图：全向，不圆度≦±1dBz垂直面波瓣宽度：≧20°根据指标要求，选择3对缝隙，先根据常规设计计算方法算出天线的初始尺寸，用Ansoft HFSS 9.2软件进行仿真设计，得出优化的尺寸参数，并根据该参数加工样品和实际测试。
波导缝隙天线hfss课程设计
波导缝隙天线hfss课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解波导缝隙天线的基本概念，掌握其工作原理及数学模型。
2. 学生能运用HFSS软件进行波导缝隙天线的仿真设计，并解释仿真结果。
3. 学生能掌握波导缝隙天线的性能参数，如辐射图、驻波比等。
技能目标：1. 学生能操作HFSS软件，完成波导缝隙天线的建模、仿真和结果分析。
2. 学生能运用课堂所学知识解决实际工程中与波导缝隙天线相关的问题。
3. 学生能通过小组合作，进行有效沟通和协作，共同完成课程设计任务。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对天线与电磁场学科的兴趣，增强探索精神和创新意识。
2. 学生在学习过程中，树立正确的工程观念，关注工程实践中的实际问题。
3. 学生通过课程学习，认识到团队协作的重要性，培养团队精神和责任感。
本课程针对高年级学生，结合学科特点，注重理论与实践相结合。
通过课程设计，使学生在掌握波导缝隙天线基本知识的基础上，提高实际操作能力和解决实际问题的能力。
同时，培养学生合作、创新、实践等方面的综合素质，为未来从事相关领域工作打下坚实基础。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 波导缝隙天线基本理论：波导缝隙天线原理、数学模型、缝隙激励方式。
2. HFSS软件操作：软件界面及基本操作流程，建模、仿真及结果分析技巧。
3. 波导缝隙天线设计：参数设置、优化方法，辐射图、驻波比等性能参数分析。
4. 实践操作：小组合作完成波导缝隙天线的设计与仿真，分析实验结果。
教学内容与教材关联如下：1. 教材第3章“波导与天线”部分，了解波导缝隙天线的基本原理和数学模型。
2. 教材第6章“电磁场仿真软件及应用”部分，学习HFSS软件的基本操作和应用。
3. 教材第7章“天线设计与应用”部分，学习波导缝隙天线的设计方法及性能分析。
教学进度安排：1. 第1周：波导缝隙天线基本理论，教材第3章内容。
2. 第2周：HFSS软件操作，教材第6章内容。
波导缝隙天线原理与仿真
DCWTechnology Study技术研究0 引言随着电子设备技术的发展，万物互联的概念逐步实现，将所有家用的、工业的、民用的、军用的电子电气设备通过互联网实现统一的控制，而万物互联实现基础是电磁场，电磁场的实现基础是天线。
我们熟知的大哥大使用的是单极天线，现在流行的5G 手机使用的是边框天线，老式电视机上使用的是八木天线等，而缝隙天线多用于雷达、通信、导航、电子对抗等普通人很少接触的设备上，因此我们很少在日常生活中见到缝隙天线。
1 缝隙天线的类型缝隙天线是一种在导体板上开凿特定尺寸的缝隙形成的天线，导体板可以是展开的也可以是闭合的，闭合的方式主要有矩形波导、圆形波导、谐振腔等，对于平面导体板可以采用同轴线的馈电方式，对于闭合的导体板即可以采用同轴线馈电方式，也可以采用波导激励馈电方式，闭合的导体板的开槽方式多种多样，有横向、纵向、斜向等。
缝隙天线如图1所示。
波导缝隙天线作为缝隙天线的一种，具有结构简单耐用、易于安装、馈电方便等特点，其天线参数性能也很出色，能够实现高增益、控制主瓣倾角、超低副瓣，副瓣电平甚至可达到-30 dB 以下。
因此，波导缝隙天线非常适合具有流线型外形的高速飞行器，融合度比较高，如机载雷达、导航设备、通信设备等。
波导缝隙天线原理与仿真刘 建1，原 觉1，刘 巍1，李 强2（1.国家无线电监测中心检测中心，北京 100041；2.工业和信息化部机关服务局，北京 100804）摘要：文章讨论了缝隙天线的特点、结构、激励方式、原理等，通过讨论缝隙周围电场和电流分布，分析缝隙天线的辐射原理。
使用HFSS仿真软件建立缝隙天线的模型，计算电场及电流分布情况，得到缝隙天线的基本参数，验证缝隙天线原理的分析结论。
关键词：缝隙天线；电偶极子；波导管；电磁仿真doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.08.020中图分类号：TN 82，TN 98 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2023）08-0061-04Principle and Simulation of Waveguide Slot AntennaLIU Jian 1, YUAN Jue 1, LIU Wei 1, LI Qiang 2(1.The State Radio_monitoring_center Testing Center, Beijing 100041, China; 2.Department ServiceBureau of the Ministry of Industry and Information Technology, Beijing 100804, China)Abstract: This paper discusses the characteristics, structure, excitation method, principle, etc. of slot antenna, and analyzes the radiation principle of slot antenna by discussing the distribution of electric field and current around the slot. The HFSS simulation software is used to build the slot antenna model, calculate the electric field and current distribution, obtain the basic parameters of the slot antenna, and verify the analysis conclusion of the slot antenna principle.Key words: slot antenna; electric dipole; waveguide; electromagnetic simulation作者简介：刘 建（1985-），男，汉族，山东人，中级工程师，硕士，研究方向为通信与网络。
波导缝隙阵仿真设计设计
学校代码：_ 11059_学号：0905072010Hefei University毕业论文（设计）BACHELO R DI SSERTATIO N论文题目：__________波导缝隙阵仿真设计____ ____学位类别：工学学士学科专业：________________ 通信工程作者姓名：_______________ 马跃_____________ _________ 导师姓名：郑娟完成时间：_________ 2013-5-27_________ _波导缝隙阵仿真设计中文摘要缝隙天线是由金属面上的缝隙构成的天线。
波导裂缝阵列天线由于其体积小、重量轻、口径效率高、功率容量大和容易实现低副瓣及超低副瓣等优点，在机载火控雷达、导弹导引头等方面有着极为广泛的应用。
波导上的缝隙随着其切割位置的不同构成了不同形式的缝隙。
经常使用的缝隙有开在波导窄边的倾斜缝隙，开在波导宽边的纵向缝隙、横向缝隙以及开在波导宽边中心线上到倾斜缝隙，它们既可以是谐振式的，也可以是非谐振式的。
由于这些缝隙均切割表面电流，因而将向外部空间辐射能量，对这些缝隙的个数、位置、尺寸、排列进行精心选择，就能产生各种实用的天线。
本次设计要求为天线中心频率10GHz。
本设计通过理论计算和软件仿真实现相结合最终得出结果，最后结果从方向图可以看出该缝隙的增益达到19.05dB，且呈现笔形波束。
而第一副瓣约为-9.5dB，与主瓣相差28.55dB左右，满足波导缝隙阵天线使用场合的低副瓣要求。
关键词：波导缝隙阵；阻抗；导纳；散射系数；HFSS；泰勒线源Design of Waveguide Slot Array SimulationABSTRACTThe slot antenna is the antenna consists of metal surface of the gap. Waveguide slot array antenna because of its small size, light weight, high aperture efficiency,large power capacity and easy to realize low sidelobe and ultra low sidelobe and other advantages, has been widely used in airborne fire control radar, missile seeker. Slot waveguide with the cutting position of different form the gap. Gap are often used in the inclined slot waveguide edge, opened in the longitudinal slot waveguide, the transverse slot and open to the inclined slot in the waveguide center line, they can be resonant, also can bethe non resonant. Because of these gaps are cutting surface current, thus to outer space radiation energy, the slot number, location, size, arrangement of carefully selected, can produce a variety of antenna .The design requirements for the antenna center frequency 10GHz. This design through theoretical calculation and software simulation to achieve the combination of the final results, the final results from the direction of the gap can be seen that gain reaches 19.05dB, and presented a pencil beam. And the first sidelobe is about -9.5dB, and the main valve is about28.55dB, meet the waveguide slot array antenna used low sidelobe requirements.KEY WORD: waveguide slot array; impedance; admittance; scattering coefficient; HFSS; Taylor line source目录第一章前言 01.1 波导缝隙阵天线研究背景及意义 01.2 波导缝隙阵研究的现状 (2)第二章波导缝隙阵天线概述 (4)2.1 天线简介 (4)2.2 波导缝隙阵概述 (5)2.3 波导裂缝阵天线的组成 (6)2.3.1辐射阵面 (6)2.3.2耦合波导 (7)2.3.3馈电波导 (8)2.4 缝隙类型 (8)2.4.1 缝隙类型简介 (8)2.4.2 宽边纵向半波谐振缝隙 (10)2.4.3 宽边横向半波谐振缝隙 (11)2.4.4 窄边斜半波谐振缝隙 (11)2.5 典型波导缝隙阵天线介绍 (12)2.5.1为开在宽壁上的横向谐振缝隙阵 (12)2.5.2 纵向谐振缝隙阵 (13)2.5.3 纵向谐振缝隙阵二 (13)2.5.4非谐振式缝隙阵 (14)2.5.5 匹配偏斜缝隙阵 (14)2.6 缝隙阵列天线参数确定 (15)2.6.1波导缝隙尺寸的确定 (15)2.6.2 波导尺寸和阵元间距的确定 (16)2.6.3泰勒线源近似 (17)2.6.4波导缝隙阵长及缝隙数目的确定 (18)2.6.5辐射缝隙的电导值的确定 (18)2.6.6缝隙偏移量的确定 (19)2.6.7 缝隙匹配的电导条件 (19)第三章技术实现 (20)3.1 软件简介 (20)3.2 天线的技术实现及大体结构 (20)3.2.1 设计原理 (20)3.2.2 HFSS软件的仿真实现 (23)第四章波导缝隙阵的仿真设计过程 (24)4.1 仿真过程 (24)4.1.1子工程1：给定缝隙偏移，优化缝隙的谐振长度 (24)4.1.2子工程2：所有缝隙的完整模型 (29)4.2 天线性能 (34)第五章结论 (35)参考文献 (36)致谢 (38)第一章前言1.1 波导缝隙阵天线研究背景及意义缝隙天线是由金属面上的缝隙构成的天线。
波导天线的设计及仿真分析
波导天线的设计及仿真分析一、引言波导天线是一种新型天线，由于其无需拉长导线，能够适应较小的体积空间，被广泛应用于通信、雷达和卫星等大量专业领域中。
本文将着重介绍波导天线的设计原理、仿真分析以及应用案例。
二、波导天线的设计原理波导天线主要由导波器、馈电部分和辐射器三个部分组成，其中导波器是波导天线的核心。
导波器是一种特殊的波导，在导波器中电磁波的传播方向与传统的波导不同。
传统的波导为长方形，电磁波在波导内传播的方向为短边方向；而在导波器中，电磁波在导波器内传播的方向为长边方向。
导波器的结构与传统的波导有很大的不同，导波器内部拥有许多细小的谐振腔，能够使电磁波在导波器中呈现出多次反射的状态。
在波导天线的馈电部分，我们需要将电信号从馈线输入到导波器内，同时又需要保证电信号传输的过程中尽可能的减少能量损耗。
一般来说，我们需要利用馈线来实现信号的输入和输出。
为了减少反射信号和能损失，在馈电部分通常需要设计宽带匹配网络。
在辐射器部分，一般采用一种金属片中空穴的方式来实现。
辐射器的好坏直接影响天线的辐射功率和方向性。
因此，在进行波导天线设计时，我们需要根据应用环境的不同来选择不同形状的辐射器。
三、波导天线的仿真分析波导天线的仿真分析是波导天线设计的一个必不可少的步骤。
一般来说，我们可以借助电磁场仿真软件进行波导天线的仿真。
在进行仿真时，首先需要确定模型中天线的材料、结构参数等内容，然后将其输入至仿真软件中，进行电磁场仿真。
通过仿真可得出电磁场强度、辐射功率、频段宽度、方向图图案及相应的带宽等信息。
根据仿真结果，我们可以调整天线设计的参数以优化天线性能。
四、波导天线的应用案例波导天线具有广泛的应用领域，其中最为常见的应用是在通信和雷达系统当中。
下面将为大家介绍几个波导天线的应用案例。
1、通信系统中的波导天线现代通信系统是无线通信的代表。
随着手机、平板电脑、电视小盒子等电子设备的发展，人们对通信接收效果的要求也越来越高，波导天线耐高温、易修复、广频、方向性好等优点也让其在通信系统中得到了广泛应用。
波导缝隙天线的设计和仿真
波导缝隙天线的设计和仿真波导馈电的缝隙阵天线自第二次世界大战以后有很大发展。
它广泛用于各种领域：1、地面、舰载、机载雷达2、导航雷达3、气象雷达4、雷达信标天线LL………………………………特别最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高、脉冲多普勒可视雷达的发展，要求天线应具有低副瓣或极低副瓣的性能，使波导缝隙天线成为此项要求的优选形式。
同时随着各种计算机辅助技术的发展，如数控机床的使用，天线的整体焊接技术等，为波导缝隙天线的使用创造了基础。
波导缝隙构成的阵列主要有两种形式，即波导宽边开缝和波导窄边开缝，我们本次主要向大家介绍的是波导宽边开缝而构成的波导缝隙天线阵的设计与仿真。
波导宽边纵缝阵列天线不但具有口面效率高、副瓣电平低等优良的电气性能，而且还有厚度小、重量轻、结构紧凑、强度高、安装方便、抗风力强、功率容量大等特点，从而在机载火控雷达、导弹巡航等方面有着其它天线无法替代的优势。
下面是几个波导宽边缝隙构成的阵列在实际中的应用实例。
主要讨论的内容：1.波导缝隙天线的设计基础理论2.波导缝隙行波线阵天线的设计和仿真3.波导缝隙驻波线、面阵天线的设计和仿真4.波导缝隙天线的Ansoft HFSS的实例设计和仿真（一）波导缝隙阵天线设计的基础理论本章中您主要的目标是：1.熟悉波导缝隙天线的基本概念。
2.了解波导缝隙的基本等效电路。
3.理解波导缝隙天线的基本电参数和缝隙阵列的构成。
4.知道波导缝隙天线的基本设计过程。
把一根波导放在自由空间，在波导输入端输入信号，波导终端接匹配负载。
如果在波导宽边或窄边上切割一个窄的缝隙，此缝隙切断波导壁上的传导电流，在缝隙上将产生电场，且对波导内壁电流产生扰动，并从波导内耦合部分电磁能量向自由空间辐射。
随着缝隙切割在波导壁的位置不同，形成不同的缝隙形式。
若缝隙的几何尺寸、其在波导上的位置以及在波导中传送能量确定，则缝隙辐射能量的幅度及相位就确定了。
一般在工程应用中，只要提到波导缝隙的设计，就会想到缝隙的等效电路。
用HFSS仿真波导缝隙天线
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
图7－3
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
实验证明，沿波导缝隙的电场分布与理想缝隙的几乎一 样，近似为正弦分布，但由于波导缝隙是开在有限大的波导 壁上的，辐射受没有开缝的其他三面波导壁的影响，因此是 单向辐射。
单缝隙天线的方向性是比较弱的，为了提高天线的方向 性，可在波导的一个壁上开多个缝隙组成天线阵。这种天线 阵的馈电比较方便，其天线和馈线集于一体。适当改变缝隙 的位置和取向就可以改变缝隙的激励强度，以获得所需要的 方向性。其缺点是频带比较窄。
（2）二者的主平面互换了位置，包含缝隙轴线的平面 是H面，而垂直于缝隙轴线的平面是E面。因此，垂直缝隙 （缝隙轴线在垂直方向）是水平极化的，水平缝隙是垂直极 化的。
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
7.1.2 波导缝隙天线 在波导壁的适当位置和方向上开的缝隙也可以有效地辐
根据对偶原理，理想缝隙天线的方向性函数与同长度的对称 振子的方向性函数在E面和H面是相互交换的，如图7－2所 示。
图7－2
项目七 用HFSS仿真波导缝隙天线
由于利用了对偶关系，此式假设了缝上电压（或切向电
场）沿缝隙轴线也是按正弦分布的。对比理想缝隙与对称振
子的场可以看出：
（1）二者的方向相同，方向性函数都是
的电场变为磁场，原来的磁场变为电场，当然还有些符号的
变动。具体可参阅参考书目。
根据前面的介绍，长度为2l的对称振子的辐射场为
E
j60Im
cos(l cos ) cos(l) e jr r sin
其方向性函数为
(7－3)
F( ) cos(l cos ) cos(l) s in
单层波导缝隙阵天线的设计与仿真
０ ｊｎｔ ｎ － ｎ ｔ ｎ ａｄ Ｈ— ｏ ｅ ｉ ｄｎ ｅ ｏｋ ａｅａ ａ ｚｄ ｈ ｊｎｔ ｎ Ｔｊｎｔ ｎａ ｄ Ｈ－ ｆＨ－ ｃ ｏ ，Ｔｊ ｃｉ ｎ Ｔ ｐ ｗ ｒｄｖ ｉｇｎ ｔ ｒ ｒ ｎｌ ｅ ．Ｔ ｅ Ｈ－ ｃ ｏ ， － ｃ ｏ ｎ Ｔ ｕ ｉ ｕ ｏ ｉ ｗ ｙ ｕ ｉ ｕ ｉ
第３ ９卷 第 ２期 （ 总第 １２期 ） ５
２１ ００年 ６月
火控雷达技术
Ｆｉｅ Ｃｏ ｒ ｌＲａ ａ ｃ ｎ ｌ ｇ ｒ ｎｔｏ ｄ ｒＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ
Ｖ １３ ｏ ２ Ｓ ｒ ｓ１ ２ ｏ．９ Ｎ ． （ ｅ ｅ ５ ） ｉ
Ｊｎ ０ ０ ｕ ．２ １
Ｙａ ｇ Ｌｉ ａ，Ｌａ ｇ Ｈｕ ｑ ｎ ｎ ｎ ｎ ａ ｉｇ
（ ｈｎ ｉ ｏｎ ｓｉ ｃｄｍ ， ｕｙ ｎ ７ ０ ９ Ｃ ｉａＡ ｒ ｒｅＭｉ ｌ Ａ ａ ｅ ｙ Ｌ ｏａ ｇ４ ０ ） ｂ ｓｅ １
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波导缝隙天线的设计仿真方案详细教程
1. 引言波导缝隙阵列天线口径幅度易于控制，具有辐射效率高，方向性强，结构紧凑等特点，而且容易实现低副瓣乃至极低副瓣，因此在雷达和通信领域有着广泛的应用。
高频仿真软件HFSS在电磁仿真领域有着广泛的应用，有着高仿真精度、高稳定性的特点。
使用HFSS 的3D建模功能，可以很容易解决简单的模型创建问题，但是对于复杂天线结构模型的建立，没有特别有效的方法，使得建模过程十分繁琐耗时，而且容易出错。
利用HFSS 提供的VBScript脚本功能，可以对软件进行二次开发，以VBScript作为接口，利用Matlab调用HFSS协同建模仿真，可以简化模型建立的操作，节约设计时间。
本文提出了一套波导缝隙天线的快速建模方法，设计了一个波导宽边裂缝阵列天线。
并以此波导缝隙天线为例，应用Matlab协同HFSS建立模型仿真，对仿真结果进行了分析。
2.基本理论波导缝隙天线是在波导宽壁或窄壁上开缝的天线，波导中传输的电磁波可以通过缝隙向外界进行辐射。
通常有宽边偏置缝、宽边倾斜缝、窄边倾斜缝隙这几种开缝形式。
根据波导终端的形式不同，波导缝隙阵天线可以分为行波阵和驻波阵。
行波阵的波导终端接吸收负载，单元间距稍大或稍小于g /2 ，驻波阵在距离终端g /4 处接短路滑块，单元间距均为g /2 ，本文设计的就是一个波导驻波阵天线。
2.1 波导缝隙天线理论分析
波导上的辐射缝隙向外界辐射能量，引起波导负载的变化，应用传输线理论分析波导的工作状态比较方便，将相应的缝隙等效成与传输线串联的阻抗或并联的导纳，再建立对应的等效电路模型，进而可以求出各个缝隙的等效阻抗或导纳。
Stevenson 等效电路法，就是根据传输线理论和波导模的格林函数导出矩形波导缝隙的计算公式。
图1所示为波导宽边纵向偏置缝隙及其等效电路。
归一化等效谐振电导为：。