목적:

이번 예제는 1.654 GHz에서 작동하는 피라미드 horn 안테나의 설계와 해석을 진행할 것 입니다. 아래의 그림 1.과 같이 horn 안테나의 far field를 구할 것이며, 각각의 다른 feeding방식을 적용하여 비교 진행할 것 입니다. feeding 방식으로는 wire pin feed, waveguide feed, FEM modal port feed를 사용할 것 입니다.

1그림 1.

  1. Wire pin feed

첫 번째 모델은 wire pin feed방식으로 wave guide내부에 pin을 넣고 voltage source를 인가하여 해석을 진행하게 됩니다. (그림 2. 참고)

2그림 2.

입력변수 및 모델정보:

  • freq = 1.645e9 (Operating frequency)
  • lambda = c0/freq*100 (Free space wavelength)
  • wa = 12.96 (The waveguide width)
  • wb = 6.48 (The waveguide height)
  • ha = 55 (Horn width)
  • hb = 42.80 (Horn height)
  • wl = 30.20 (Length of the waveguide section)
  • fl = wl – lambda/4 (Position of the feed wire in the waveguide)
  • hl = 46 (Length of the horn section)
  • pinlen = lambda/4.56 (Length of the pin)

 

모델구성:

  1. 모델단위 변경: m(meter) > cm(centimeter)
  2. Waveguide 생성: cuboid, base corner, (-wa/2,-wb/2,-wl), width=wa, depth=wb, height=wl
  3. UV평면상의 윗면 삭제
  4. Horn 생성: flare, base centre, (0,0,0), wa, wb, hl, ha, hb, label= Flare1 (그림 3.참고)
  5. 3그림 3.
  6. UV평면상의 위 아랫면 삭제
  7. Feedpin 생성: line, (0,-wb/2,-fl), (0,-wb/2+pinlen,-fl), lable=line1
  8. Port 지정: pin, Start, label=Port1
  9. Source 설정: wire port1, 1[V], 50[Ohm]
  10. Union: Cuboid1, Flare1, Line1
  11. 주파수 입력: Single frequency, freq (그림 4.참고)
  12. 4그림 4.
  13. Source power 설정: 5[W], no mismatch
  14. 대칭조건: X=0(Magnetic symmetry)
  15. 결과추출조건(far field, E plane): 그림 5. 참고
  16. 5그림 5.
  17. 결과추출조건(far field, H plane): 그림 6. 참고
  18. 6그림 6.
  19. Mesh 생성: coarse, segment radius=0.1

 

  1. Waveguide feed

두 번째 예제는 waveguide 끝단에 waveguide port 기능을 이용하여  mode를 직접 인가하여 진행하게 됩니다. (그림 7. 참고)

7그림 7.

따라서 wire feed model에서 waveguide feed로 바꾸기 위하여 Line1(wire) 및 Port1을 제거한 후 아래와 같이 구성하여 주시기 바랍니다.

 

모델구성:

  1. Wire pin feed 모델을 이용하여 아래와 같이 수정
  2. Local mesh size지정: waveguide의 끝단 면, size= lambda/20 (그림 8. 참고)
  3. 8그림 8.
  4. Port 지정: waveguide port, waveguide의 끝단 면 (그림 9. 참고)

*Propagation direction opposite to normal 옵션을 이용하여 port지정 면의 normal 방향을 확인하여 설정

  1. 9그림 9.
  2. Source 설정: waveguide source, port1, Excite fundamental mode only, magnitude= 1, phase= 0, label= waveguidesource1
  3. 대칭조건설정: X=0(Magnetic symmetry), Y=0(Electric symmetry)
  4. Mesh 생성: coarse (local mesh는 지정된 면에 자동적용)

 

  1. FEM modal port feed

세번째 예제는 FEM modal boundary를 사용하여 waveguide feed를 하게 됩니다. 따라서 horn 안테나의 waveguide 부분은 FEM 영역으로 지정되며 tetrahedral 3D 요소로 mesh를 생성하게 됩니다. (그림 10. 참고)

10그림 10.

모델구성:

  1. 새로운 모델 구성
  2. 모델단위 변경: m(meter) > cm(centimeter)
  3. 위의 wire pin feed 모델과 geometry구성은 동일
  4. Dielectric 설정: label= air (그림 11. 참고)
  5. 11그림 11.
  6. Cuboid region의 medium을 위의 생성한 air로 지정
  7. Waveguide위 바깥면에 대하여 perfect electric conductor로 지정
  8. Cuboid region의 solution method를 FEM으로 지정
  9. Local mesh size지정: waveguide의 끝단 면, size= lambda/20
  10. Port 지정: FEM modal port, waveguide의 끝단 면
  11. Source 설정: FEM modal source (그림 12. 참고)
  12. 12그림 12.
  13. 주파수 입력: Single frequency, freq
  14. Source power 설정: 5[W], no mismatch
  15. 대칭조건 설정: X=0(Magnetic symmetry), Y=0(Electric symmetry)
  16. 결과추출조건(far field, E plane): 그림 5. 참고
  17. 5그림 5.
  18. 결과추출조건(far field, H plane): 그림 6. 참고
  19. 6그림 6.
  20. Mesh 생성: coarse

 

해석결과:

  • 1.645GHz에서 아래의 Polar plot을 통해 E와 H 평면에 대한 gain[dB]을 확인할 수 있습니다.
  • 결론적으로 feeding 방식에 따른 결과가 거의 같음을 확인할 수 있으며, 각각의 feeding방식에 따른 모델의 특성에 맞도록 적용하게 되면 조금 더 효율적인 해석이 가능할 것 입니다.

13E-plane cut

14H-plane cut

  • 위의 내용은 FEKO Student Edition 버전을 통해서도 직접 실행하여 보실 수 있습니다.