反射面天线仿真

利用Ansoft HFSS-IE设计Ka波段低副瓣抛物反射面天线文章来源：ANSYS 2011中国用户大会优秀论文 录入：点击数：628【摘要】本文仿真设计了一种工作于Ka波段的低副瓣抛物反射面天线，该天线采用 馈源前置式单反射面形式。馈源采用E面扇形喇叭天线，利用先进的三维电磁场仿真软件 An soft HFSS v12首先对馈源进行了仿真与优化设计，得到了满足技术指标要求的结构参 数。在此基础上，利用An soft HFSS与HFSS-IE协同设计了所要求的抛物反射面天线。 仿真结果表明，所设计的抛物反射面天线增益大于36dBi，副瓣低于-27dB。仿真结果与 理论计算结果比较吻合，并且满足了技术指标要求。此外，通过整个设计过程以及软件仿真 结果也直接证明了 HFSS-IE计算的准确性以及快速实用性，对于大口径反射面天线的设 计具有一定的指导价值。1引言单反射面天线是指用一个反射面来获得所需方向图的天线系统，其中抛物反射面天线是 最经典，用的最多的一种形式。它是一种主瓣窄、副瓣低、增益高的微波天线，广泛应用于 雷达、卫星通信、微波中继通信以及射电天文等领域中1。如图1所示，抛物反射面天线由一个旋转抛物面和一个馈源组成。抛物面由抛物线绕其 轴线oz旋转一周形成；馈源可以采用多种形式，如带反射板的短偶极子2，缝隙天线， 喇叭天线等，且馈源视在相位中心应放置于抛物面的焦点F上。该天线的基本原理基于几 何光学定律的思想。发射状态时，利用抛物面的反射特性，使得由其焦点处的馈源发出的 球面波前，经抛物面反射后转变为在抛物面口径上的平面波前，从而使抛物反射面天线具有 锐波束、高增益的性能；接收状态时，外来的平面波经抛物面反射后，聚焦到其焦点处，由 馈源接收3。血转拋物山iD图1抛物反射面天线组成及其几何参数一般地，仿真设计抛物反射面天线时大都采用基于几何光学法（PO）的软件，常用的比Ft加时如FEKO、GRASP等。但是，几何光学法计算精度不及有限元法（FEM）、矩量法（MOM） 以及时域有限差分法（FDTD）。尤其是在Ka波段反射面天线设计中，对天线的副瓣、增 益等电性能进行精确的计算很有必要。虽然An soft HFSS的核心算法基于FEM法4, 但是HFSS v12以前的版本中对于电大尺寸的反射面天线的仿真计算几乎难以完成。 HFSS-IE应用而生，它是An soft HFSS v12版本中的积分方程法求解器，而反射面天线的设计恰是其典型应用之一。HFSS-IE集成于HFSS界面中，与HFSS采用同样的 界面和数据结构。它采用先进的压缩求解技术，以降低内存消耗和求解时间。由于应用自适 应网格技术，且无需吸收边界条件，HFSS-IE特别擅长处理开域问题。基于此，本文仿真设计了一种工作于Ka波段的低副瓣抛物反射面天线。该天线增益大 于36dBi，副瓣低于-27dB，其口径直径约为30倍的工作波长。馈源采用E面扇形喇叭 天线，在HFSS中建立馈源模型并进行仿真优化设计。在HFSS-IE中，通过数据链接的 方式将HFSS中设计的馈源作为近场激励源，进行抛物反射面天线的仿真分析。2抛物反射面天线设计根据给定的抛物反射面天线技术指标，利用相关设计公式以及天线几何参数之间的相互 关系，确定旋转抛物面的结构参数以及馈源照射角。根据边缘照射电平要求设计馈源天线, 然后利用HFSS与HFSS-IE协同仿真设计抛物反射面天线。21天线技术指标（1）工作频率：Ka波段，中心频率36GHz ；（2）电压驻波比：VSWR 1.5 ；（3）极化方式：线极化；（4）增益： 36dBi ；（5）副瓣电平： -25dB ；（6）尺寸：口径直径 300mm ；22抛物面基本参数计算如图1所示，F为抛物面的焦点，D为抛物面的口径直径，f为抛物面的焦距，0为 抛物面的口径张角也即馈源的照射角。在直角坐标系（x, y，z）中，顶点在原点的抛物面 方程为：工=g Q式抛物反射面天线的焦距与口径直径比（焦径比）k = f /D是一个很重要的参量。k较 大时，天线的电特性较好。但k也不能取得太大，否则天线纵向尺寸太长，且能量泄漏 大。一般地，k的取值在0.25 0.5之间。由于技术指标给定了抛物反射面天线的工作频率以及增益，可以根据以下公式（2）计 算抛物面的口径直径D：Gain = 1 ED 2式（2）式（2）中，入为工作波长，n为口径利用效率。取中心频率为36GHz计算，令口径利 用效率n = 50 %，且焦径比k = 0.4。已知Gain = 36dBi，那么可得：D = 236.7mm ，f = k * D = 94.7mm。在得到了以上两参数后，抛物面的基本形状就可以确定了。而设计馈源就需要得到其照 射角60,利用公式（3）可以得到：tail （0W2） =D/V式 再产k因此计算可得，馈源的照射角60 = 64。2.3馈源喇叭设计设计中，采用E面扇形喇叭天线作为抛物反射面的馈源，其相位中心置于抛物面的焦点 处。一般地，选择馈源的初级方向图对抛物反射面的边缘照射电平为-10dB,这样可以得 到最大增益。因此，对于馈源来说其E面与H面两个主平面的10dB波瓣宽度应该为 260 = 128。即，20O1E = 21H=2=128D式4图2馈源的仿真模型图采用An soft HFSS v12设计所需要的E面扇形喇叭天线，其馈电波导选用BJ-320,壁厚0.5mm。图2为馈源的仿真模型图；图3为馈源电压驻波比随频率变化曲线;图4为 馈源在中心频率处，E面与H面归一化方向图仿真结果；图5为馈源在中心频率处，E面 与H面相位方向图仿真结果。1.00 -1CUfWUTDV5WR(i 56GHz: Swfigp1.00 sow32.00图3馈源电压驻波比随频率变化曲线由图3可见，在所要求的工作频段内，所设计的馈源天线电压驻波比小于1.5,达到了 指标要求。图4馈源归一化辐射方向图【gztoz由图5可见，在中心频率36GHz处，馈源天线E面与H面两个主平面的相位波动平缓。馈源相位中心稳定，并且此时相位中心位于馈源喇叭口面的几何中心。2.4 HFSS与HFSS-IE协同仿真设计在HFSS中完成了馈源的设计之后，就可以通过数据链接的方式将HFSS中设计的馈 源作为近场激励源，进行抛物反射面天线的仿真分析。这一过程需要HFSS与HFSS-IE的 协同仿真，并且在HFSS-IE中对反射面天线要进行建模。参考图1的坐标系建模，由于已经得到了抛物面的D与f的具体数值，则采用参数方 程很容易建立抛物线。然后，将抛物线绕轴线oz旋转360。即可得到所需的旋转抛物面， 如图6所示。具体的抛物线参数方程如下式：x (_t) = _t ； y (_t) = 0 ； z (_t) = _t2 / (4*f)；其中，0 _t Incident Wave Near Field Wave，如图7所示。需要注意的是，在添加过程中一定要调整好馈源以及反 射面的相对位置关系，使得馈源的相位中心位于抛物反射面的焦点处。E#傕Pr呦吟规E2 B. flv-rlv-T JLh“iui* t當Hrr? (hri 丫曲屛心 -麻 ME T日 Hadd+ -r BmaStfi rx-Z bci t.3 3-hi = e |Tm4口昶gCRl TrwWOWWAW*OOCQ-OB4i?M血左如棉mm iiDO QI 115HM制 diMchimi4nD&UCSl&CrSO dmblTU 1皿切厲Q0D3 00l&fjMuh alipK-flCDSDIBDiiira1 BQ3却砒If卫Fl*4MFi JEGH：Md Ai叶用iim50谓nnmraDKllii FiVCl- Hiwrr- WCH. .ZulafiTiYr卯叭n&fflDi16C13曹 ehw 旳peeHOOODWhG0-C9i&(i柑g萬油的b杠XW裁DOH 123&GMwictwe0O1&23MH甘 2221f.G?50 iw-iirrn i F*r*flhfrifTMHRx-ftt wkAwOQSDINDIDOJOD21CQQOCHOD0DQ1DAiWhww &fwi ffinrwSE如Avrri.-rmtfvda. ctn图8求解所需时间及内存通过仿真分析，得到了抛物反射面天线的主要电性能，如图9、图10所示。由此二图可见，所设计的抛物反射面天线增益约为36.7dBi,副瓣电平低于-27dB，且3dB波瓣宽 度约为2.5。这些指标均达到了设计要求，并且与理论计算结果相吻合，进而验证了所采 用协同设计方法的准确性和有效性。图9抛物反射面天线3D辐射方向图T件耳呼料口可円ii）衲.血 MM $0.Hn-27.4&57m213.5D0Q-284311WbdB OnDrmalizeieta)3&GHz: dElOnDnralizei.GaiinTDta 36GHz: LaBtAaspli帕 Feq=,35GKzPFF,9Ddfig,2.51&3图10抛物反射面天线归一化辐射方向图3结论本文仿真设计了一种工作于Ka波段的低副瓣抛物反射面天线，其口径直径约为30倍 的工作波长。馈源采用E面扇形喇叭天线，在HFSS中建立馈源模型并进行仿真优化设计。 在HFSS-IE中，通过数据链接的方式将HFSS中设计的馈源作为近场激励源，进行抛物 反射面天线的仿真分析。仿真结果表明，该天线增益大于36dBi，副瓣低于-27dB，满足 技术指标要求。此外，通过整个设计过程以及软件仿真结果也直接证明了采用HFSS与 HFSS-IE协同计算的准确性以及快速实用性。因此，HFSS-IE对于大口径反射面天线的 设计提供了一种新的解决途径，在这一设计领域具有突出的优势。