Hornantenne

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Die Abmessungen der pyramidenförmigen Hörner werden von Stutzman und Thiele[1] auf den Seiten 413 - 415 definiert. Die Öffnungsmaße betragen 184,6 mm x 145,5 mm bei einer Weglänge des Hornscheitels 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 bei Halbwertsbreiten von 12 Grad in der E-Ebene und 13,6 Grad in der H-Ebene.

Die Horngeometrie in XFdtd besteht aus einem kurzen WR-90 Hohlleiter mit einer zentrierten Sondenzuführung, die am pyramidenförmigen Horn befestigt ist. Die Horngeometrie wird im XF-Geometrie-Editor gezeichnet, indem Flächen an den Hohlleiter- und Blendenenden des Horns erzeugt werden und mit Hilfe der Lofting-Funktion ein dreidimensionales Objekt erzeugt wird. Dem Hornobjekt wird ein Material mit perfektem elektrischen Leiter zugeordnet. Die resultierende Horngeometrie ist in Abbildung 1 dargestellt. 

Die gewünschte Frequenz für diese Simulation beträgt 9,3 GHz, was zu einer maximalen Gittergröße von ca. 3 mm für die Simulation bei 10 Zellen pro Wellenlänge führt. Aufgrund der konischen Form des Horns werden die Seiten des Horns nicht mit dem XF-Raster ausgerichtet. Dies kann zu Treppenstufenfehlern in den Simulationen führen. Um dies zu überprüfen, wird die Simulation zunächst mit kubischen 3mm-Zellen und dann wieder mit 1,5mm-Zellen durchgeführt, die jeden Treppenfehler bei 9,3 GHz deutlich reduzieren sollen.

Die Simulation erfolgt mit einem handelsüblichen Desktop-PC mit einer einzigen CPU und einer hardwarebeschleunigten GPU-Karte. Bei einer Auflösung von 3 mm erreicht die Simulation in Sekundenschnelle die Konvergenz auf der GPU-Karte. Die Ergebnisse zeigen einen Spitzengewinn von 21 dB bei einer Strahlbreite der E-Ebene von 9,3 Grad und einer Strahlbreite der H-Ebene von 13,6 Grad. Diese Ergebnisse liegen nahe an den theoretischen Designzielen, werden aber wahrscheinlich durch die Treppenfehler beeinflusst. Diagramme, die die Spitzenverstärkung in der E- und H-Ebene und die 3dB Strahlbreite zeigen, sind in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt.

 

Abbildung 1: Die Horngeometrie, wie sie im XF gezeichnet ist.

 

Abbildung 2: Spitzenverstärkung der E-Ebene und 3dB Strahlbreitenpunkte.

 

Abbildung 3: Spitzenverstärkung in der H-Ebene und 3dB Strahlbreitenpunkte.

Wenn die Mesh-Auflösung 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 einer Strahlbreite der E- und H-Ebene von 11,3 und 13,6 Grad, die den theoretischen Werten nahe kommen. Polardiagramme der Verstärkung in der E- und H-Ebene sind in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt. Ein Laufzeitvergleich auf der 1,5 mm Auflösungssimulation ergab eine 35-fache Beschleunigung des Grafikprozessors über die CPU.

In Abbildung 6 sind in den beiden Hauptebenen zeitdomänennahe elektrische Felder dargestellt, um die Ausbreitungseigenschaften der Felder im Horn zu veranschaulichen und die Beugung der Felder um die Kanten des Horns herum darzustellen.

 

Abbildung 4: Eine Polardiagramm der gesamten Verstärkung der E-Ebene wird dargestellt, um die Nebenkeulen und die Richtwirkung des Horns zu veranschaulichen.

 

Abbildung 5: Eine polare Darstellung der gesamten Verstärkung der H-Ebene ist dargestellt, um die Nebenkeulen und die Richtwirkung des Horns zu veranschaulichen.

 

Abbildung 6: Elektrische Felder im Zeitbereich in den Hauptebenen des Horns.

Referenz

  1. Stutzman und Thiele. Antennentheorie und Design. New York: John Wiley & Sons, 1981.