基于COMSOL的喇叭天线仿真设计

王 昭

（西安交通工程学院，陕西 西安 710065）

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[1]。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。同时在仿真计算中，喇叭天线可以作为辐射源，考察其他设备的响应。

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，由于波导开口面逐渐扩大，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。文献[2]对双脊喇叭天线的设计与仿真。

本文对高频喇叭天线进行理论设计，应用限元软件COMSOL进行建模求解，分析高频喇叭天线的辐射特性。

1 天线结构设计

设计频段18～26.5 GHz的矩形喇叭天线，增益为15 dB，波导端口为BJ220，其中波导的长宽分别为a=10.668 mm和b=4.318，特性阻抗为50 Ω。

选中心频率22 GHz为对应波长进行设计，代入如下公式：

其中，A为喇叭口宽度，B为喇叭口高度，为喇叭长度，为波长，G为所需增益。

合计结果如表1所示。

表1 喇叭天线的结构尺寸

2 仿真建模

根据天线结构设计，在COMSOL软件中进行建模，首先建立天线单元如图1所示。然后进行求解域的设置。

图1 天线单元

天线单元建立后进行求解域的设计，如图2所示，求解域稍大于天线本身尺寸，外围再加完全匹配层（Perfectly Matched Layer，PML）进行求解，以满足远场的合理扩散。

图2 天线求解模型

几何模型建立需要进行离散化，也就是网格剖分，采用自由四面体进行网格剖分，最大网格尺寸小于波长的1/10，网格剖分的结果如图3所示。

图3 网格设计

3 结果分析

模型建立后对其进行扫频计算，其计算结果如图4—6所示。

图4 喇叭天线的增益三维方向

图4为天线在26 GHz时的三维增益方向图，可以看出设计的喇叭天线方向性强，增益在15 dB左右，且能量主要集中在主瓣，副瓣所占能量分量较小，喇叭天线的设计中，天线的方向性越强，说明天线辐射能量越集中，因此设计的天线符合设计需求。

图5为天线在26 GHz时的二维增益方向图，E面和H面的计算结果。方向图表示天线辐射特性与空间角度的关系，从方向图可以看出天线的波瓣宽度（天线辐射图中低于峰值3 dB处所成夹角的角度）不大于15度，天线的方向性主要由主瓣宽度确定，主瓣越小，说明天线的辐射能量越集中，接收能力越强，定向和方向性也就越强。方向图中副瓣电平越低，表明天线在不需要方向上的辐射能量越弱，也可以说对杂散波的抑制越强，抗干扰越好。

图5 喇叭天线的增益二维方向（E面和H面）

从图6可以看出，天线在频段18～26.5 GHz内的驻波比在1.1～1.32，驻波比越小表示天线发射的信号反射回来的越小，最小为1。中心频率22 GHz时约1.2，在20 GHz时最大约1.32，在18 GHz和23 GHz时的驻波比相对较小，在1.1左右。

图6 喇叭天线的驻波比

4 结语

文章通过理论设计喇叭天线，计算喇叭天线的结构尺寸。通过COMSOL软件建立喇叭天线模型，进行扫频计算。计算结果表明符合设计需求。对喇叭天线的增益方向图、驻波比进行了分析，设计的天线可以作为模拟计算中的测试天线。

[参考文献]

[1]闫润卿，李英惠.微波技术基础[M].北京：北京理工大学出版社，1988.

[2]刘密歌，张麟兮.基于HFSS的双脊喇叭天线的设计与仿真[J].电子测量技术，2007（7）：142-145.