喇叭天线建模仿真

本例程的仿真过程是基于HFSS 12.0版。本仿真涉及同轴馈线的建模，在天线模型的建模中运用了布尔操作。建模仿真步骤如下：

1、新建设计工程

• 新建工程

• 设置求解类型为“Driven Modal”

• 设置模型长度为“in”

2、添加和定义设计变量（该模型工作频率为2.4GHz ，变量length 为四分之一波长。

喇叭天线模型及尺寸图

3、设计建模

（1）创建喇叭模型（红色部分）

• 在z=0的平面上创建一个中心位于坐标原点，长度和宽度分别用变量a和b表示的矩形面，并将其命名为Horn。透明度设为0.4。顶点位置坐标为（-a/2，-b/2，0）。

• 在z=plength的平面上创建一个中心位于z轴，长度和宽度用a1和b1表示的矩形面，并将其命名为Aperture。

• 通过Connect命令生成喇叭模型：按住Ctrl键，先后依次单击矩形面Horn和Aperture，同时选中这两个矩形面。然后从主菜单栏中选中【Modeler】→【Surface】→【Connect】命令，即可生成喇叭模型，该模型的名称为Horn，其透明度为0.4，材质为vacuum。

（2）创建WR430波导模型（红色部分）

创建一个长方体模型用以表示波导，该模型与喇叭的底部相接，其长、宽、高分别用a、b和wlength表示，并命名为WR430，设置透明度为0.4。顶点位置（-a/2，-b/2，0）。

（3）创建同轴馈线：

同轴线馈电点放置于波导宽边中心线上，其与底侧短路板的距离为1/4个波长，同轴线的外导体与波导的外侧壁相接触。外导体圆半径为0.06英寸，外导体长度为0.3英寸；同轴线内导体半径为0.025英寸，内导体在波导内的长度为波导窄边长度的一半，即b/2。

• 创建外导体：创建底面平行于xz面的圆柱体，并命名为Outer，设透明度为0.4。设置底面圆心坐标为（0，b/2，-4*length），半径值为0.06，高度值为0.3。

• 创建内导体：创建圆柱体，并命名为Inner，设材质为理想导体。设置底面圆心坐标为（0，0，-4*length），半径值为0.025，高度值为0.3in+b/2。

（4）布尔操作

• 将Horn、WR430和Outer合并成一个完整的物体模型

• 执行相减操作，消除Horn和Inner两个模型的重叠部分：选择Horn和Inner，选择【Modeler】→【Boolean】→【Subtract】，在对话框中选中Clone tool objects before operation复选框。

（5）把喇叭天线的外表面设置为理想导体边界条件

在三维模型窗口中单击鼠标右键，选择【Select Faces】，从主菜单栏中选择【Edit】→【Select】→【By Name】，打开SelectFace对话框，选中模型名称“Horn”，在对话框右侧的FaceID 列表框中会列出该模型所有表面的名称。其中，喇叭的口径面、同轴线端口面、同轴线馈电面和同轴线内表面，选中除去这三个面的其它面，单击“OK”，在三维模型窗口中单击鼠标右键，选择【Assign Boundary】→【Perfect E】。

（6）设置端口激励：把同轴线的端口面设置为负载阻抗为50欧的集总端口激励。

选中同轴线端口面，单击右键，选择【Assign Excitation】→【Lumped Port】,在Name中输入“PI”，确认端口阻抗为50欧，单击“下一步”，设置集总端口的积分校准线，捕捉内导体边界棱边的最上侧顶点（鼠标变成正方形），单击左键确认，捕捉外导体边界棱边的最上侧顶点，单击左键确定。

（7）设置辐射边界条件

创建一个长方体模型,命名为AirBox，透明度0.8，该模型的各个表面与喇叭天线的距离都为1/4个工作波长，即顶点位置坐标（-a1/2-length，-b1/2-length，-wlength-length），长、宽、高为a1+2*length、b1+2*length、wlength+plength+2*length。

4、求解设置

  （1）求解频率和网格剖分设置：求解频率2.4GHz，最大迭代次数20，收敛误差0.02，有限元基函数选择SecondOrder。

  （2）扫频设置：选择快速扫频，扫频范围为1.7GHz-2.6GHz，频率步进为0.1GHz。

5、设计检查

6、查看分析结果

（1）定义辐射表面：

• 定义φ=0°，φ=90°的平面为辐射表面，命名为“EH Plane”

• 定义三维立体球面为辐射表面，命名为“3D Sphere”

（2）查看E面和H面上的增益方向图（HFSS 2020版）

（3）查看三维增益方向图（HFSS 2020版）

（4）查看回波损耗S₁₁扫频结果（HFSS 2020版）