基于COMSOL的喇叭天線仿真設計

王 昭

（西安交通工程學院，陜西 西安 710065）

喇叭天線是一種應用廣泛的微波天線，其優點是結構簡單、頻帶寬、功率容量大、調整與使用方便。合理選擇喇叭尺寸，可以取得良好的輻射特性：相當尖銳的主瓣，較小副瓣和較高的增益[1]。因此，喇叭天線在軍事和民用上應用都非常廣泛，是一種常見的測試用天線。同時在仿真計算中，喇叭天線可以作為輻射源，考察其他設備的響應。

喇叭天線的基本形式是把矩形波導和圓波導的開口面逐漸擴展而形成的，由于波導開口面逐漸擴大，改善了波導與自由空間的匹配，使得波導中的反射系數小，即波導中傳輸的絕大部分能量由喇叭輻射出去，反射的能量很小。文獻[2]對雙脊喇叭天線的設計與仿真。

本文對高頻喇叭天線進行理論設計，應用限元軟件COMSOL進行建模求解，分析高頻喇叭天線的輻射特性。

1 天線結構設計

設計頻段18～26.5 GHz的矩形喇叭天線，增益為15 dB，波導端口為BJ220，其中波導的長寬分別為a=10.668 mm和b=4.318，特性阻抗為50 Ω。

選中心頻率22 GHz為對應波長進行設計，代入如下公式：

其中，A為喇叭口寬度，B為喇叭口高度，為喇叭長度，為波長，G為所需增益。

合計結果如表1所示。

表1 喇叭天線的結構尺寸

2 仿真建模

根據天線結構設計，在COMSOL軟件中進行建模，首先建立天線單元如圖1所示。然后進行求解域的設置。

圖1 天線單元

天線單元建立后進行求解域的設計，如圖2所示，求解域稍大于天線本身尺寸，外圍再加完全匹配層（Perfectly Matched Layer，PML）進行求解，以滿足遠場的合理擴散。

圖2 天線求解模型

幾何模型建立需要進行離散化，也就是網格剖分，采用自由四面體進行網格剖分，最大網格尺寸小于波長的1/10，網格剖分的結果如圖3所示。

圖3 網格設計

3 結果分析

模型建立后對其進行掃頻計算，其計算結果如圖4—6所示。

圖4 喇叭天線的增益三維方向

圖4為天線在26 GHz時的三維增益方向圖，可以看出設計的喇叭天線方向性強，增益在15 dB左右，且能量主要集中在主瓣，副瓣所占能量分量較小，喇叭天線的設計中，天線的方向性越強，說明天線輻射能量越集中，因此設計的天線符合設計需求。

圖5為天線在26 GHz時的二維增益方向圖，E面和H面的計算結果。方向圖表示天線輻射特性與空間角度的關系，從方向圖可以看出天線的波瓣寬度（天線輻射圖中低于峰值3 dB處所成夾角的角度）不大于15度，天線的方向性主要由主瓣寬度確定，主瓣越小，說明天線的輻射能量越集中，接收能力越強，定向和方向性也就越強。方向圖中副瓣電平越低，表明天線在不需要方向上的輻射能量越弱，也可以說對雜散波的抑制越強，抗干擾越好。

圖5 喇叭天線的增益二維方向（E面和H面）

從圖6可以看出，天線在頻段18～26.5 GHz內的駐波比在1.1～1.32，駐波比越小表示天線發射的信號反射回來的越小，最小為1。中心頻率22 GHz時約1.2，在20 GHz時最大約1.32，在18 GHz和23 GHz時的駐波比相對較小，在1.1左右。

圖6 喇叭天線的駐波比

4 結語

文章通過理論設計喇叭天線，計算喇叭天線的結構尺寸。通過COMSOL軟件建立喇叭天線模型，進行掃頻計算。計算結果表明符合設計需求。對喇叭天線的增益方向圖、駐波比進行了分析，設計的天線可以作為模擬計算中的測試天線。

[參考文獻]

[1]閆潤卿，李英惠.微波技術基礎[M].北京：北京理工大學出版社，1988.

[2]劉密歌，張麟兮.基于HFSS的雙脊喇叭天線的設計與仿真[J].電子測量技術，2007（7）：142-145.