مدلسازی عددی سریع آنتن لنز شاخ مخروطی
معرفی
یک ساختار سه بعدی متقارن محوری مانند یک آنتن شیپوری مخروطی را می توان به روشی سریع و کارآمد تنها با استفاده از طرح دو بعدی آن شبیه سازی کرد. در این مثال، تشعشعات آنتن و ویژگیهای تطبیق بسیار سریع با توجه به حالت TE غالب از موجبر دایرهای دادهشده با شبیهسازی هندسه متقارن محوری دوبعدی ساختار آنتن سهبعدی محاسبه میشوند.

شکل 1: مدل سه بعدی آنتن عدسی شاخ مخروطی از یک مدل متقارن محوری 2 بعدی.
تعریف مدل
این مدل از یک شیپور فلزی مخروطی و یک لنز دی الکتریک PTFE تشکیل شده است که توسط یک دامنه هوا احاطه شده است. قسمت بیرونی حوزه هوا توسط لایه های کاملاً منطبق بریده شده است (PML) که تشعشعات قوی از دهانه شیپور را جذب می کند. تمام سطوح فلزی بدون تلفات فرض می شوند و بنابراین به عنوان رسانای الکتریکی کامل (PEC) مدل می شوند. ماده عدسی نیز بدون تلفات در نظر گرفته می شود و به عنوان ماده PTFE با ثابت دی الکتریک پایین ( εr = 2.1) پیکربندی می شود تا از تغییر ناخواسته ضریب شکست ناگهانی بین هوا و دی الکتریک جلوگیری شود .
یک سر موجبر دایره ای با شرایط مرزی پورت دایره ای حالت TE 1 از پیش تعریف شده برانگیخته می شود و سر دیگر به شاخ مخروطی متصل است که به حوزه هوا باز است. ترکیب شاخص حالت ازیموتال و شاخص حالت پورت دایره ای در یک مدل متقارن محوری دو بعدی با شاخص حالت پورت دایره ای از پیش تعریف شده یک مدل سه بعدی سازگار است. فرکانس قطع حالت TE 11 یک موجبر دایره ای با شعاع 10 میلی متر تقریباً 8.8 گیگاهرتز است که با محاسبه

که در آن c 0 سرعت نور است، p ‘ nm ریشه های مشتق توابع بسل J n (x)، m و n شاخص های حالت هستند و a شعاع یک موجبر است. مقدار p ’11 تقریباً 1.841 است. فرکانس کاری آنتن لزوماً بالاتر از فرکانس قطع موجبر است.
شرایط مرزی پورت دایره ای در مرز داخلی قرار می گیرد که در آن ویژگی های بازتاب و انتقال به طور خودکار بر اساس پارامترهای S محاسبه می شوند. مرز پورت داخلی با پشتیبان PEC برای تحریک یک طرفه نیاز به شرایط شکاف دارد. جهت پورت برای تعیین جهت داخل برای محاسبه پارامتر S مشخص شده است.
نتایج و بحث
شکل 2 نشان می دهد که موج برانگیخته از موجبر دایره ای از طریق ساختار شیپوری مخروطی حرکت می کند، از طریق عدسی دی الکتریک محدود می شود و یک الگوی تابشی بسیار جهت دهنده ایجاد می کند. الگوی تابش در مقیاس دسی بل تجسم می شود تا دید بهتری از لبه های کناری آن به دست آید. لوب کناری اول حدود 22 دسی بل کمتر از لوب تشعشع اصلی است. الگوی تابش میدان دور در شکل 2 فقط یک بدنه ساده از چرخش داده های نمودار دو بعدی است که برای اندازه گیری سریع حداکثر بهره و بررسی شکل کلی الگو مفید است. الگوی تابش میدان دور سه بعدی موثر آنتن برانگیخته شده توسط حالت TE 11 را می توان با استفاده از تابع پس پردازش از پیش تعریف شده، normdB3DEfar_TE11 (زاویه) ، که در شکل 3 نشان داده شده است، تخمین زد..

شکل 2: الگوی تابش میدان دور سه بعدی در دسی بل، با شبکه بالای لنز تجسم شده است. هنجار میدان E به تدریج به سمت مرکز متمرکز می شود.

شکل 3: الگوی تابش میدان دور سه بعدی موثر در مقیاس دسی بل با استفاده از تابع میدان دور (زاویه) normdB3DEfar_TE11 ترسیم شده است.
مسیر کتابخانه برنامه: RF_Module/Antennas/conical_horn_lens_antenna
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی
Model Wizard کلیک کنید .

مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی ![]() |
2 | در درخت انتخاب فیزیک ، فرکانس رادیویی > امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس (emw) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 | ![]() |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Frequency Domain را انتخاب کنید . |
6 | ![]() |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | ![]() |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل conical_horn_lens_antenna_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
ابتدا پارامترهای هندسی را بارگذاری کنید. سپس فرکانس قطع fc را محاسبه کنید تا مطمئن شوید که مقدار بالاتری برای فرکانس شبیه سازی f0 انتخاب شده است .
5 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
fc | 1.841*c_const/2/pi/r1 | 8.784E9 1/s | فرکانس قطع |
f0 | 1.2 * fc | 1.0541E10 1/s | فرکانس |
در اینجا، c_const یک ثابت COMSOL از پیش تعریف شده برای سرعت نور در خلاء است.
مطالعه 1
مرحله 1: دامنه فرکانس
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی مرحله 1: دامنه فرکانس کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دامنه فرکانس ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرکانس ها ، f0 را تایپ کنید . |
هندسه 1
دایره 1 (c1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات دایره ، بخش اندازه و شکل را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Radius ، hl*2 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت نوشتار زاویه بخش ، 180 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن z ، 0.05 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Rotation Angle را پیدا کنید . در قسمت متن چرخش ، 270 را تایپ کنید . |
7 | برای گسترش بخش لایه ها کلیک کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام لایه | ضخامت (متر) |
لایه 1 | c_const/f0 |
8 | ![]() |
مستطیل 1 (r1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، r1 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، wl را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن z ، -wl را تایپ کنید . |
چند ضلعی 1 (pol1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات چند ضلعی ، بخش مختصات را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
R (M) | Z (M) |
0 | hl*cos (زاویه) |
r1+hl*sin(زاویه) | hl*cos (زاویه) |
چند ضلعی 2 (pol2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات چند ضلعی ، بخش مختصات را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
R (M) | Z (M) |
r1 | 0 |
r1+hl*sin(زاویه) | hl*cos (زاویه) |
r1+hl*sin(زاویه)+ht | hl*cos (زاویه) |
r1+ht | 0 |
مستطیل 2 (r2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، ht را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، wl را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن r ، r1 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن z ، -wl را تایپ کنید . |
منحنی پارامتریک 1 (pc1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای منحنی پارامتری ، قسمت Parameter را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Maximum text max_para را تایپ کنید . |
4 | قسمت Expressions را پیدا کنید . در قسمت متن r ، s را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن z ، -(s^2)*hlens/(max_para/1[m])^2 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن z ، hl*cos(angle)+hlens+0.01 را تایپ کنید . |
مستطیل 3 (r3)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، max_para را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، 0.01 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن z ، hl*cos(angle) را تایپ کنید . |
6 | در نوار ابزار Geometry ، روی ![]() ![]() |
تعاریف
کاملاً منطبق بر لایه 1 (pml1)
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی لایه ![]() |
2 | فقط دامنه های 1 و 7 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای لایه کاملاً منطبق ، قسمت هندسه را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متن مختصات مرکز ، 0.05 را تایپ کنید . |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی ![]() |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی ![]() |
مواد
مواد 2 (mat2)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه های 5 و 6 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material Contents را پیدا کنید . |
4 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
مجوز نسبی | epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0 | 2.1 | 1 | پایه ای |
نفوذپذیری نسبی | mur_eye ; murii = mur_iso، murij = 0 | 1 | 1 | پایه ای |
رسانایی الکتریکی | sigma_iso ; sigmaii = sigma_iso، sigmaij = 0 | 0 | S/m | پایه ای |
امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس (EMW)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی امواج الکترومغناطیسی ، دامنه فرکانس (emw) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای امواج الکترومغناطیسی ، دامنه فرکانس ، بخش شماره موج خارج از صفحه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن m ، 1 را تایپ کنید . |
هادی الکتریکی کامل 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی ![]() |
2 | فقط مرزهای 14–19 و 21 را انتخاب کنید. ![]() |
پورت 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی ![]() |
2 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات پورت ، قسمت ویژگی های پورت را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع پورت ، Circular را انتخاب کنید . |
برای پورت اول، تحریک موج به طور پیش فرض روشن است .
5 | تیک گزینه Activate slit condition on interior port را انتخاب کنید . |
6 | روی Toggle Power Flow Direction کلیک کنید . ![]() |
دامنه میدان دور 1
در نوار ابزار Physics ، روی
Domains کلیک کنید و دامنه Far-Field Domain را انتخاب کنید .

مش 1
در نوار ابزار Home ، روی
Build Mesh کلیک کنید .


مطالعه 1
مرحله 1: دامنه فرکانس

نتایج
میدان الکتریکی (emw)
دامنه های مدل را به جز لایه های کاملاً منطبق تجسم کنید.
مطالعه 1/راه حل 1 (sol1)
در پنجره Model Builder ، گره Results>Datasets را گسترش دهید ، سپس روی Study 1/Solution 1 (sol1) کلیک کنید .
انتخاب
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
4 | فقط دامنه های 2-6، 8 و 9 را انتخاب کنید. |
سطح
1 | در پنجره Model Builder ، گره Electric Field (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Surface کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Expression text emw.Er را تایپ کنید . |
4 | برای گسترش بخش Range کلیک کنید . تیک گزینه Manual color range را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت حداقل متن، -1500 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت Maximum text، 1500 را تایپ کنید . |
کانتور 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electric Field (emw) کلیک راست کرده و Contour را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Contour ، بخش Levels را پیدا کنید . |
3 | در فیلد متنی مجموع سطوح ، 30 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . تیک Color legend را پاک کنید . |
5 | در نوار ابزار Electric Field (emw) ، روی ![]() ![]() |
بخش های واقعی کانتور هنجار میدان Er و E نشان می دهد که موج به سمت دیافراگم شاخ منتشر می شود و توسط عدسی دی الکتریک متمرکز می شود.
الگوی تشعشع 1
برای بدست آوردن نمودار بهتری از الگوی تابش، رزولوشن زاویه ای ریزتری اعمال کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، گره 2D Far Field (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Radiation Pattern 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای الگوی تشعشع ، بخش ارزیابی را پیدا کنید . |
3 | زیربخش جهت مرجع را پیدا کنید . در قسمت متن x ، -1 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن z ، 0 را تایپ کنید . |
5 | در نوار ابزار 2D Far Field (emw) ، روی ![]() ![]() |
افزایش سه بعدی میدان دور (emw)
نمودارهای سطحی بدنه آنتن و لنز را اضافه کنید و آنها را همراه با الگوی تابش میدان دور سه بعدی نشان دهید.
الگوی تشعشع 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>3D Far Field، Gain (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Radiation Pattern 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای الگوی تشعشع ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Electromagnetic Waves، Frequency Domain>Far field>emw.normdBEfar – Far-field norm، dB – dB را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت متن Expression ، emw.normdBEfar/400 را تایپ کنید . |
این باعث کاهش اندازه الگوی تابش میدان دور 3 بعدی می شود.
4 | روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Color کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Electromagnetic Waves، Frequency Domain>Far field>emw.normdBEfar – Far-field norm، dB – dB را انتخاب کنید . |
5 | بخش ارزیابی را پیدا کنید . زیربخش Angles را پیدا کنید . در قسمت متنی Number of elevation angles عدد 90 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست Grid ، Fine را انتخاب کنید . |
7 | از لیست رنگ ، زرد را انتخاب کنید . |
8 | در نوار ابزار 3D Far Field، Gain (emw) ، روی ![]() |
9 | ![]() |
مطالعه 1 / راه حل 1 (2) (sol1)
در نوار ابزار Results ، روی
More Datasets کلیک کنید و Solution را انتخاب کنید .

انتخاب
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
4 | فقط دامنه های 8 و 9 را انتخاب کنید. |
انقلاب 2 بعدی 2
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای Revolution 2D ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (2) (sol1) را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش Revolution Layers کلیک کنید . در قسمت متن زاویه شروع ، -90 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت نوشتار زاویه انقلاب ، 270 را تایپ کنید . |
مطالعه 1 / راه حل 1 (3) (sol1)
در نوار ابزار Results ، روی
More Datasets کلیک کنید و Solution را انتخاب کنید .

انتخاب
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
4 | فقط دامنه های 5 و 6 را انتخاب کنید. |
انقلاب 2 بعدی 3
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای Revolution 2D ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (3) (sol1) را انتخاب کنید . |
سطح 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی 3D Far Field، Gain (emw) راست کلیک کرده و Surface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Revolution 2D 2 را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . ![]() |
5 | در کادر محاوره ای Color Table ، Linear>GrayScale را در درخت انتخاب کنید. |
6 | روی OK کلیک کنید . |
7 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Coloring and Style را پیدا کنید . |
8 | تیک Color legend را پاک کنید . |
سطح 2
1 | روی Surface 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Revolution 2D 3 را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . ![]() |
5 | در کادر محاوره ای Color Table ، Thermal>ThermalDark را در درخت انتخاب کنید. |
6 | روی OK کلیک کنید . |
7 | در نوار ابزار 3D Far Field، Gain (emw) ، روی ![]() |
تغییر شکل 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Radiation Pattern 1 کلیک راست کرده و Deformation را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تغییر شکل ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن x-component عدد 0 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متنی y-component عدد 0 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن z-component ، 0.17 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Scale را پیدا کنید . |
7 | چک باکس Scale factor را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 1 را تایپ کنید . |
8 | در نوار ابزار 3D Far Field، Gain (emw) ، روی ![]() |
9 | ![]() ![]() |
این نمودار باید شکل 2 را بازتولید کند . الگوی تابش میدان دور که در بالا رسم شده است فقط یک بدنه ساده از چرخش نمودار دوبعدی است که برای اندازه گیری سریع حداکثر بهره مفید است. با استفاده از تابع پس پردازش از پیش تعریف شده، می توان یک الگوی تابش میدان دور سه بعدی موثر از آنتن را که توسط حالت غالب مدل سه بعدی یک موجبر دایره ای، حالت TE 11 برانگیخته می شود، تخمین زد .
گروه طرح سه بعدی 4
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی ![]() |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، None را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Color Legend را پیدا کنید . چک باکس نمایش مقادیر حداکثر و حداقل را انتخاب کنید . |
الگوی تشعشع 1
1 | در نوار ابزار 3D Plot Group 4 ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای الگوی تشعشع ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (1) (sol1) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت متن Expression ، emw.normdB3DEfar_TE11 (زاویه) را تایپ کنید . |
5 | بخش ارزیابی را پیدا کنید . زیربخش Angles را پیدا کنید . در قسمت متنی Number of elevation angles عدد 90 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متنی Number of azimuth angles عدد 90 را تایپ کنید . |
7 | در قسمت متنی متغیر زاویه Azimuthal ، زاویه را تایپ کنید . |
تابع میدان دور حاوی یک آرگومان است که به طور پیش فرض به آن زاویه نام داده می شود . برای فیلد متغیر زاویه زاویه ای در بخش Evaluation، زاویه را برای مطابقت با آرگومان تابع وارد کنید. توجه داشته باشید که تا زمانی که آرگومان تابع با متغیر زاویه آزیموت مشخص شده در بخش Evaluation مطابقت داشته باشد، نام را می توان آزادانه انتخاب کرد.
8 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . ![]() |
9 | در کادر محاوره ای جدول رنگ ، Wave>Wave را در درخت انتخاب کنید. |
10 | روی OK کلیک کنید . |
11 | در نوار ابزار 3D Plot Group 4 ، روی ![]() ![]() |
نمودار را با شکل 3 مقایسه کنید .
12 | ![]() |
13 | در کادر محاوره ای Show More Options ، Results>Plot Information Section را در درخت انتخاب کنید. |
14 | در درخت، چک باکس گره Results>Plot Information Section را انتخاب کنید . |
15 | روی OK کلیک کنید . |
هنگام ترسیم یک الگوی تابش میدان دور، به دلیل تفکیک پذیری بهتر، ممکن است زمان زیادی طول بکشد. زمان رسم را می توان از قسمت اطلاعات بررسی کرد.
پارامتر S (emw)
با بررسی پارامتر S کار را به پایان برسانید.