8.2-12.4GHz喇叭天线设计

记录个人的一些仿真案例。这里参考了李明洋的《HFSS天线设计》

设计目标

设计一个喇叭天线,其指标要求为:

工作频率范围8.2-12.4GHz
电压驻波比≤1.5
标称增益值20dB
接口BJ100

各频点增益要求为:

频率(GHz)8.208.588.969.339.7110.09
增益(dB)19.4819.7920.0920.3620.6120.86
频率(GHz)10.4710.8511.2211.6011.9812.40
增益(dB)21.0721.3021.4821.6721.8422.02

一、波导设计

由接口型号BJ100可知,喇叭天线底部为矩形波导,查阅尺寸表,得知其指标为:


a=22.86, b=10.16, A=25.4, B=12.7mm,仿真过程中,暂不考虑内圆角。
矩形波导长度一般取 5 λ / 4 5\lambda/4 5λ/4,在这里,将频率定为区间的中心频率,在这里,将频率定为区间的中心频率。

二、喇叭口径计算

2.1 计算公式

由于矩形喇叭的辐射特型基本上是E面和H面扇形喇叭的结合,当波导中只是单模传播(只有TE波)时,矩形喇叭的口径可以通过远场公式推理出来。
此时,矩形喇叭的内径a1、b1和喇叭长度h_horn的计算公式为:
a 1 4 − a a 1 3 + 3 b G λ 2 8 π ε a p a 1 = 3 G 2 λ 4 32 π 2 ε a p 2 h _ h o r n = a 1 − a 3 λ a 1 b 1 = 1 2 ( b + b 2 + 8 λ h h o r n ) a_1^4-aa_1^3+\frac{3bG\lambda^2}{8\pi\varepsilon_{ap}}a_1=\frac{3G^2\lambda^4}{32\pi^2\varepsilon_{ap}^2} \\ h\_horn=\frac{a_1-a}{3\lambda}a_1 \\ b_1=\frac{1}{2}(b+\sqrt{b^2+8\lambda h_{horn}}) a14aa13+8πεap3bGλ2a1=32π2εap23G2λ4h_horn=3λa1aa1b1=21(b+b2+8λhhorn )
其中,G为无常纲量的增益值,!表示矩形喇叭的口径效率,进行最佳增益设计时,一般取值为0.5。

2.2 代码实现

基于上述公式,编写matlab代码计算各频率对应的喇叭口径参数如表value.xls所示:

clc, clear

gain_sheet = xlsread('D:\workbook\work_test\gain.xlsx');
[ro, co] = size(gain_sheet);

c = 3.0 * 10^8 * 10^3;   % 单位:mm / s
a = 22.86;  % 矩形波导的宽高
b = 10.16;

for i = 1:co
    freq = gain_sheet(1, i) * 10^9;
    gaindB = gain_sheet(2, i);  % dB增益
    gain = 10^(gaindB / 10);

    lambda = c / freq;

    syms a1
    a1 = double(solve(a1^4 - a * a1^3 + 3 * b * gain * lambda^2 * a1 / (8 * pi * 0.5) == 3 * gain^2 * lambda^4 / (32 * pi^2 * 0.5^2)));
    a1 = a1(2);
    h_horn = (a1 - a) * a1 / (3 * lambda);
    b1 = 0.5 * (b + sqrt(b^2 + 8 * lambda * h_horn));
    
    value(1, i) = a1;
    value(2, i) = h_horn;
    value(3, i) = b1;
end

value

xlswrite('value.xls', value);

在这里,首先以10.47GHz对应的参数为例,进行仿真验证。

三、CST仿真

3.1 波导创建

基于波导参数,建立矩形块,这里矩形块的长宽都为矩形波导的外径A、B,为了简化操作,先不进行挖空:
image.png

3.2 喇叭口径创建

1,首先建立一个厚度为0的面,面的长宽为喇叭的外口径值(a1+厚度, b1+厚度),与波导的距离为h_horn
image.png
2,选中两个面
image.png
3,使用Loft操作,将两个面合并起来。
image.png
4,使用Add操作,将得到的3个模块进行合并。然后,选中波导尾部和喇叭口部两个面,进行挖空操作。(Shape Tools->Shell)
image.png
image.png
image.png
建模完成,之后就是在矩形波导尾部添加波导端口激励,以及对应频率的远场监视器。并进行仿真

四、结果分析

4.1 VSWR

image.png
从图中可以看出,此结构的驻波比已达到要求。

4.2 增益

依次执行:Result Templates->Farfield Result->All Setting->将Plot Mode修改为Realized Gain,通过计算即可得到所有频率对应的最大增益,如表中所示。
image.png

频率实际增益目标增益误差
8.219.7619419.481.43%
8.5820.3350519.792.68%
8.9620.4077320.091.56%
9.3320.6782320.361.54%
9.7120.9662720.611.70%
10.0921.0618720.860.96%
10.4721.3623121.071.37%
10.8521.4505121.30.70%
11.2221.6746821.480.90%
11.621.7762121.670.49%
11.9821.7883821.840.24%
12.422.1986422.020.80%

从表中可以看出,该结构在8.58GHz的增益误差为2.68%>2.5%,需要对结构进行优化。

4.3 结构优化

使用后处理模板的优化算法,对a1、h_horn、b1进行优化,各参数的优化区间即为之前计算得到的参数范围。优化完成后,得出新的值为:a1=137.6mm;h_horn=204.11mm;b1=107.8mm。

频率实际增益目标增益误差
8.219.6848819.481.052%
8.5819.8474619.790.290%
8.9620.2564920.090.829%
9.3320.4407620.360.397%
9.7120.618420.610.041%
10.0920.9730420.860.542%
10.4721.0485921.070.102%
10.8521.380321.30.377%
11.2221.4359321.480.205%
11.621.734621.670.298%
11.9821.8036221.840.167%
12.421.8556422.020.746%

优化完成后,各频率的增益值误差都符合要求。

<think>嗯,用户想了解如何使用CST软件进行喇叭天线的近场方向图仿真。首先,我需要回忆一下CST的基本操作流程,特别是关于天线仿真的步骤。喇叭天线属于波导天线的一种,常用于微波和毫米波频段,近场方向图的仿真可能涉及设置近场监视器、边界条件、网格划分等。 首先,用户可能需要从创建喇叭天线的模型开始。CST中有多种建模方式,可能需要使用参数化建模,输入喇叭的尺寸参数,比如张角、长度、喉部尺寸等。或者用户可能已经有一个现有的模型,需要导入并进行调整。这时候需要注意模型的准确性,比如喇叭的渐变部分是否平滑,端口设置是否正确。 接下来是材料设置。喇叭天线通常由金属(如铜或铝)制成,所以在材料分配时,需要将喇叭结构设置为理想导体(PEC)或者指定具体的金属材料。如果使用的是实际材料参数,比如电导率,需要正确输入这些数值。 然后是端口设置。喇叭天线通常由波导馈电,所以需要设置波导端口作为激励源。在CST中,正确设置波导端口的模式和频率范围很重要。可能需要选择主模(TE10模)作为激励,并确保端口尺寸与波导尺寸匹配,避免反射过大。 边界条件的设置也很关键。对于天线仿真,通常使用开放边界(如辐射边界条件)来模拟自由空间。CST中的边界条件设置可能会影响近场和远场的计算结果,需要检查是否设置为辐射边界或使用PML层,以确保电磁波能够正确辐射出去而不被反射回来。 接下来是设置近场监视器。用户需要近场方向图,因此必须在仿真频率上添加近场监视器。在CST中,可以定义不同的近场监视器类型,比如电场、磁场或者功率流监视器。需要确定监视器的位置和范围,覆盖感兴趣的区域,比如喇叭天线的近场区域。 网格划分的设置会影响仿真结果的准确性和计算时间。对于高频结构,可能需要更细的网格,特别是喇叭天线的渐变部分和开口处。CST的自动网格生成功能可能不够,需要手动调整网格设置,或者使用自适应网格细化功能,在关键区域加密网格。 仿真参数设置包括频率范围、求解器类型(时域或频域)等。喇叭天线的仿真通常使用频域求解器,比如F求解器,或者时域求解器。需要根据仿真需求选择合适的求解器,并设置正确的频率步长或扫频范围。 运行仿真后,需要检查结果是否收敛,比如S参数是否稳定,场分布是否合理。如果结果不理想,可能需要调整网格或边界条件,重新仿真。 后处理部分,用户需要提取近场数据。在CST的结果导航树中,可以找到近场监视器的结果,包括电场、磁场的分布。通过后处理模板或自定义脚本,可以生成近场方向图。可能需要将笛卡尔坐标系转换为球坐标系,以显示方向图的角度分布。此外,近远场变换可能也是需要的,但用户明确要求近场方向图,所以应直接处理近场数据。 在验证结果时,可能需要对比文献或实测数据,确保仿真的准确性。如果出现异常,比如方向图不对称或增益过低,需要检查模型对称性、材料设置和端口激励是否正确。 最后,用户可能需要导出数据或生成报告。CST支持导出场数据为文本或图形格式,方便进一步分析或撰写报告。 需要注意的是,整个过程中可能会遇到各种问题,比如仿真时间过长、内存不足、结果不收敛等。这时候需要优化模型,比如简化结构、使用对称性减少计算量,或者调整求解器设置。同时,正确理解近场和远场的区别,确保监视器设置正确,避免混淆近场和远场的结果。 总结来说,步骤大致是建模、设置材料和端口、边界条件、近场监视器、网格划分、仿真运行和后处理。每个步骤都需要仔细检查,确保参数设置合理,才能得到准确的近场方向图。</think>以下是使用CST微波工作室进行喇叭天线近场方向图仿真的详细步骤指南: --- ### **一、建模阶段** 1. **参数化建模** - 在`Modeling`模块中通过参数化方程建立喇叭渐变曲线(如指数型、双曲型等) - 典型参数示例: ```python a = 22.86mm # 标准WR90波导宽边尺寸 b = 10.16mm # 窄边尺寸 L = 150mm # 喇叭轴向长度 flare_angle = 30deg # 张角 ``` 2. **馈电结构处理** - 添加波导端口时注意端口平面需与波导截面完全重合 - 使用`Waveguide Port`模板时选择`TE10`模式并设置5倍截止频率扫描范围 --- ### **二、材料与边界设置** 1. **金属表面处理** ```matlab Material = "PEC" // 设置理想电导体 Surface Impedance = 0.0 // 零阻抗边界 ``` 2. **辐射边界设置** - 在`Boundary Conditions`中设置: - Xmin/Xmax:`Open (add space)` - Ymin/Ymax:`Open (add space)` - Zmin:`Electric`(接地面) - Zmax:`Open (add space)` - 建议扩展1/4波长以上的空间距离 --- ### **三、近场监视器配置** 1. **三维近场扫描设置** ```cpp Nearfield Monitor { Frequency = 10GHz; Field Type = E-Field; Sampling Density = lambda/10 @10GHz; // 约3mm采样间隔 Volume Size = 300x300x300mm; // 覆盖喇叭口径外2倍区域 } ``` 2. **平面近场扫描(可选)** - 在`Field Monitors`中添加`Plane Monitor` - 设置XY平面在喇叭口径前方λ/2--- ### **四、网格优化策略** 1. **局部加密设置** ```matlab Mesh Properties { Lines per wavelength = 20; // 基板网格密度 Mesh Refinement = 3; // 曲率加密等级 Edge Mesh = On; // 边界细化 } ``` 2. **特殊区域处理** - 对喇叭喉部区域添加`Local Mesh`,设置网格步长λ/20 - 渐变段采用渐变网格密度(5%步长增长率) --- ### **五、求解器设置** 1. **时域求解器配置** ```matlab Transient Solver { Number of Pulses = 30; // 激励脉冲数 Adaptive Mesh Refinement = 2; // 自适应网格次数 Symmetry Planes = "NONE"; // 禁用对称面 } ``` 2. **频域求解器(选高精度需求时)** - 使用`Frequency Domain Solver` - 设置频点间隔≤1%中心频率(如10GHz时设100MHz步长) --- ### **六、后处理关键操作** 1. **近场数据提取** - 在`2D/3D Results`中选择`E-Field`监视器 - 使用`Farfield Plot`中的`Calculate Nearfield`功能 2. **方向图可视化** ```python Plot Type = "Polar"; # 极坐标显示 Component = "Abs(E)"; # 场强绝对值 Theta Range = [-180,180] deg; # 方位角扫描 Phi = 0 deg; # 固定俯仰角 ``` 3. **数据导出格式建议** - 场分布:`.csv`矩阵格式(适合MATLAB处理) - 方向图:`.plt`格式(可用Origin绘图) --- ### **七、验证技巧** 1. **收敛性检查** - 能量误差应<2% - S11在-15dB以下(良好匹配) 2. **对称性验证** - 比较φ=0°与φ=180°方向图对称性 - 检查E面/H面交叉极化电平 --- **典型问题解决方案:** - **网格发散警告**:在`Mesh View`中检查喇叭喉部区域的网格连续性 - **方向图畸变**:检查边界条件是否吸收不足(可增加PML层数) - **内存不足**:启用`TST Simulator`的分布式计算选项 通过以上步骤的系统设置,可获得精确的喇叭天线近场辐射特性,为后续的馈源设计或阵列布局提供可靠依据。
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