用Python實(shí)現(xiàn)喇叭天線設(shè)計(jì)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(xiě)一個(gè)圖形化界面的小程序，方便快速根據(jù)波束寬度設(shè)計(jì)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(jì)算并自動(dòng)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?yàn)榭紤]到本文的主要讀者是和我一樣從事天線設(shè)計(jì)的工程師或?qū)W生黨，看起來(lái)可能要費(fèi)力一些，故這部分我會(huì)盡量介紹詳細(xì)點(diǎn)，主要是為有興趣進(jìn)行類(lèi)似工作的讀者提供一些思路，也是對(duì)自己學(xué)習(xí) Python 一年來(lái)的一個(gè)總結(jié)。

正文

在我設(shè)計(jì)過(guò)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(jiǎn)單、性能可靠、設(shè)計(jì)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(shū)里的各種理論公式進(jìn)行快速計(jì)算，因而時(shí)常作為設(shè)計(jì)第一備選，就算最終沒(méi)能用上，也常作為最初估算對(duì)象，或者性能對(duì)標(biāo)對(duì)象。

時(shí)常出現(xiàn)的工作場(chǎng)景是：

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

我：“......”

這個(gè)時(shí)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(huì)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(duì)于喇叭這種簡(jiǎn)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(shí)間，如果恰好仿出來(lái)與預(yù)想結(jié)果偏差較多，免不了又要迭代個(gè)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(wèn)題呢？

想到了之前收藏的一篇講最優(yōu)喇叭設(shè)計(jì)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(jì)步驟，我用 Mathcad 寫(xiě)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(shí)間用 Python 寫(xiě)了個(gè)更完備的程序，包括標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)查值、簡(jiǎn)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(xiě)過(guò)程中，由于 Python 知識(shí)還比較淺薄，遇到了相當(dāng)多的難點(diǎn)，克服的過(guò)程免不了反復(fù)試錯(cuò)和網(wǎng)上搜索，這個(gè)過(guò)程比較枯燥繁瑣，但也挺有意思，過(guò)后來(lái)看自己的編程技術(shù)也長(zhǎng)進(jìn)了不少，具體來(lái)講，難點(diǎn)主要有以下：

功能似乎很簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)發(fā)現(xiàn)有好幾個(gè)子功能模塊，主要包括參數(shù)計(jì)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(xiě)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(shí)現(xiàn)？

如何在圖形界面中調(diào)用 HFSS 建模、仿真、生成報(bào)告？

如何打包成 exe 文件并在不同的電腦上順利運(yùn)行？

后續(xù)文章將會(huì)從每個(gè)模塊進(jìn)行介紹，并附上完整的代碼，希望提供一些思路，對(duì)各位的設(shè)計(jì)工作有所幫助。

轉(zhuǎn)自：知乎@況澤靈 2018 年 11 月