Die Abmessungen des pyramidenförmigen Horns werden von Stutzman und Thiele [1] auf den Seiten 413 - 415 definiert. Die Aperturabmessungen sind 184,6 mm mal 145,5 mm mit einer Weglänge der Hornspitze von 297,5 cm. Das Horn wird von einem WR-90-Hohlleiter mit einem Eingangssignal von 9,3 GHz gespeist. Der theoretische Gewinn für diese Antenne beträgt 22,1 dB mit Halbwertsbreiten von 12 Grad in der E-Ebene und 13,6 Grad in der H-Ebene.
Die Horngeometrie in XFdtd besteht aus einem kurzen Stück WR-90-Hohlleiter mit einer zentrierten Sondenzuführung, die an das pyramidenförmige Horn angeschlossen ist. Die Horngeometrie wird im XF-Geometrie-Editor gezeichnet, indem Flächen an den Enden des Hohlleiters und der Öffnung des Horns erstellt werden und die Lofting-Funktion verwendet wird, um ein dreidimensionales Objekt zu erstellen. Dem Hornobjekt wird das Material eines perfekten elektrischen Leiters zugewiesen. Die resultierende Horngeometrie ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Die Horngeometrie, wie sie in der XF gezeichnet wurde.
Die gewünschte Frequenz für diese Simulation ist 9,3 GHz, was zu einer maximalen Gittergröße von etwa 3 mm für die Simulation mit 10 Zellen pro Wellenlänge führt. Aufgrund der sich verjüngenden Form des Horns werden die Seiten des Horns nicht mit dem XF-Gitter ausgerichtet sein. Dies könnte zu Treppenfehlern bei den Simulationen führen. Um dies zu überprüfen, wird die Simulation zunächst mit würfelförmigen Zellen von 3 mm und dann noch einmal mit Zellen von 1,5 mm durchgeführt, was den Treppenfehler bei 9,3 GHz deutlich reduzieren sollte.
Die Simulation wird mit einem Standard-Desktop-PC mit einer einzelnen CPU und einer hardwarebeschleunigten GPU-Karte durchgeführt. Bei einer Auflösung von 3 mm erreicht die Simulation auf der GPU-Karte innerhalb von Sekunden Konvergenz. Die Ergebnisse zeigen eine Spitzenverstärkung von 21 dB bei einer Abstrahlbreite in der E-Ebene von 9,3 Grad und einer Abstrahlbreite in der H-Ebene von 13,6 Grad. Diese Ergebnisse liegen nahe an den theoretischen Entwurfszielen, werden aber wahrscheinlich durch die Treppenstufenfehler beeinflusst. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Spitzenverstärkung in der E- und H-Ebene und die Strahlbreite von 3 dB.
Abbildung 2: Spitzenverstärkung in der E-Ebene und 3-dB-Strahlenbreitenpunkte.
Abbildung 3: Spitzenverstärkung in der H-Ebene und 3-dB-Strahlenbreitenpunkte.
Wenn die Netzauflösung auf 1,5 mm eingestellt ist, konvergiert die Simulation in weniger als 30 Sekunden auf der GPU-Karte und liefert Ergebnisse mit einer Spitzenverstärkung von 22,1 dB und Strahlbreiten in der E- und H-Ebene von 11,3 und 13,6 Grad, die den theoretischen Werten sehr nahe kommen. Polardiagramme der Verstärkung in der E- und H-Ebene sind in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt. Ein Laufzeitvergleich für die Simulation mit einer Auflösung von 1,5 mm zeigte eine 35-fache Beschleunigung der GPU gegenüber der CPU.
Abbildung 4: Ein Polardiagramm der gesamten Verstärkung in der E-Ebene wird gezeigt, um die Nebenkeulen und die Richtwirkung des Horns zu veranschaulichen.
Abbildung 5: Ein Polardiagramm der gesamten H-Ebenen-Verstärkung wird gezeigt, um die Nebenkeulen und die Richtwirkung des Horns zu veranschaulichen.
In Abbildung 6 sind die elektrischen Felder der Nahzone im Zeitbereich in den beiden Hauptebenen dargestellt, um die Ausbreitungseigenschaften der Felder im Horn zu veranschaulichen und die Beugung der Felder an den Kanten des Horns zu zeigen.
Abbildung 6: Elektrische Felder im Zeitbereich in den Hauptebenen des Horns.
Referenz
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Stutzman und Thiele. Antennentheorie und Design. New York: John Wiley & Sons, 1981.
