用Python實現(xiàn)喇叭天線設(shè)計小工具（一）

前言

作為系列文章的第一篇，本文主要介紹采用 Python 編寫一個圖形化界面的小程序，方便快速根據(jù)波束寬度設(shè)計出最優(yōu)化喇叭天線，一鍵調(diào)用 HFSS 進(jìn)行仿真，并可打包為 exe 文件方便其他人使用，其效果如下：

初始界面

根據(jù)頻率和波束寬度算出增益最大化的尺寸

一鍵調(diào)用 HFSS 進(jìn)行仿真計算并自動生成 report

打包為 exe 文件

本文的理論部分很淺顯，但編程部分有些許難度，因為考慮到本文的主要讀者是和我一樣從事天線設(shè)計的工程師或?qū)W生黨，看起來可能要費力一些，故這部分我會盡量介紹詳細(xì)點，主要是為有興趣進(jìn)行類似工作的讀者提供一些思路，也是對自己學(xué)習(xí) Python 一年來的一個總結(jié)。

正文

在我設(shè)計過的所有天線中，喇叭（Horn）是我最為偏好的形式，也是用的最多的形式，其主要好處有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、設(shè)計方便，且規(guī)整的口面使其成為完美之口徑天線，便于利用教科書里的各種理論公式進(jìn)行快速計算，因而時常作為設(shè)計第一備選，就算最終沒能用上，也常作為最初估算對象，或者性能對標(biāo)對象。

時常出現(xiàn)的工作場景是：

總體：“我們需要一個天線，工作于 X 頻段，方位覆蓋 90 度，俯仰覆蓋 30 度，你估計下尺寸多少？增益能到多少？要快?。∫惨獪?zhǔn)確?。∽詈媚芊孪?！我正在和用戶談，盡快答復(fù)！！”

我：“......”

這個時候，最快速的方法是用喇叭口面公式估算尺寸，再用口面效率公式估算增益，當(dāng)然估算結(jié)果不會太精確，如果要進(jìn)一步做到更準(zhǔn)確的估算，就要祭出電磁仿真神器海飛絲（HFSS）跑一把了。

對于喇叭這種簡單天線，HFSS 當(dāng)然可以輕松搞定，仿得準(zhǔn)，算得也快，但建模啥的好歹也要花些時間，如果恰好仿出來與預(yù)想結(jié)果偏差較多，免不了又要迭代個一兩輪才能得到滿意結(jié)果，于是我就想：能否更快更好地解決問題呢？

想到了之前收藏的一篇講最優(yōu)喇叭設(shè)計的論文：

《Pyramidal-Horn Design Under Constraints On Half-Power Beamwidth》（IEEE Antenna and Propagation Magazine, Vol. 44, No. 1, February 2002 ）

這篇文章給出了完備的公式、參數(shù)和設(shè)計步驟，我用 Mathcad 寫入公式并試著算了下，確能得到較為可靠的最優(yōu)喇叭尺寸，并非一篇灌水之文，于是就花了幾天時間用 Python 寫了個更完備的程序，包括標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)查值、簡單圖形交互界面（GUI）和調(diào)用 HFSS 進(jìn)行仿真，最后還能打包成 exe 發(fā)給其他人使用。

在程序編寫過程中，由于 Python 知識還比較淺薄，遇到了相當(dāng)多的難點，克服的過程免不了反復(fù)試錯和網(wǎng)上搜索，這個過程比較枯燥繁瑣，但也挺有意思，過后來看自己的編程技術(shù)也長進(jìn)了不少，具體來講，難點主要有以下：

功能似乎很簡單，但實現(xiàn)起來發(fā)現(xiàn)有好幾個子功能模塊，主要包括參數(shù)計算模塊、標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)查詢模塊、GUI 模塊、HFSS 調(diào)用模塊，如何進(jìn)行分而治之，然后有效調(diào)用？

第一次寫圖形交互界面，Python 的圖形包很多，有名的包括 Tkinter、PyQt、wxPython 等，該選用哪一種？如何實現(xiàn)？

如何在圖形界面中調(diào)用 HFSS 建模、仿真、生成報告？

如何打包成 exe 文件并在不同的電腦上順利運行？

后續(xù)文章將會從每個模塊進(jìn)行介紹，并附上完整的代碼，希望提供一些思路，對各位的設(shè)計工作有所幫助。

轉(zhuǎn)自：知乎@況澤靈 2018 年 11 月