反射面天線仿真

1、利用Ansoft HFSS-IE 設(shè)計Ka波段低副瓣拋物反射面天線文章來源: ANSYS 2011中國用戶大會優(yōu)秀論文    錄入:    點(diǎn)擊數(shù): 628    【 摘要】本文仿真設(shè)計了一種工作于Ka 波段的低副瓣拋物反射面天線，該天線采用饋源前置式單反射面形 式。饋源采用E 面扇形喇叭天線，利用先進(jìn)的三維電磁場仿真軟件Ansoft HFSS v12 首先對饋源進(jìn)行了仿真與優(yōu)化設(shè)計，得到了滿足技術(shù)指標(biāo)要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，利用Ansoft HFSS 與HFSS-IE 協(xié)同設(shè)計了所要求的拋

2、物反射面天線。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的拋物反射面天線增益大于36dBi，副瓣低于-27dB。仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果比較吻合，并且滿足了技術(shù)指標(biāo)要求。此外，通過整個設(shè)計過程以及軟件仿真結(jié)果也直接證 明了HFSS-IE 計算的準(zhǔn)確性以及快速實用性，對于大口徑反射面天線的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)價值。    1 引言    單反射面天線是指用一個反射面來獲得所需方向圖的天線系統(tǒng)，其中拋物反射面天線是最經(jīng)典，用的最多的一種形式。它是一種主瓣窄、副瓣低、增益高的微波天線，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星通信、微波中繼通信以及射電天文等領(lǐng)域中1。 

3、;   如圖1所示，拋物反射面天線由一個旋轉(zhuǎn)拋物面和一個饋源組成。拋物面由拋物線繞其軸線oz 旋轉(zhuǎn)一周形成；饋源可以采用多種形式，如帶反射板的短偶極子2，縫隙天線，喇叭天線等，且饋源視在相位中心應(yīng)放置于拋物面的焦點(diǎn)F上。該天線的基本原理基于幾何光學(xué)定律的 思想。發(fā)射狀態(tài)時，利用拋物面的反射特性，使得由其焦點(diǎn)處的饋源發(fā)出的球面波前，經(jīng)拋物面反射后轉(zhuǎn)變?yōu)樵趻佄锩婵趶缴系钠矫娌ㄇ?，從而使拋物反射面天線具有銳波束、高增益的性能；接收狀態(tài)時，外來的平面波經(jīng)拋物面反射后，聚焦到其焦點(diǎn)處，由饋源接收3。圖1 拋物反射面天線組成及其幾何參數(shù)    一般地，仿真

4、設(shè)計拋物反射面天線時大都采用基于幾何光學(xué)法（PO）的軟件，常用的比如 FEKO、GRASP 等。但是，幾何光學(xué)法計算精度不及有限元法（FEM）、矩量法（MOM）以及時域有限差分法（FDTD）。尤其是在Ka 波段反射面天線設(shè)計中，對天線的副瓣、增益等電性能進(jìn)行精確的計算很有必要。雖然Ansoft HFSS 的核心算法基于FEM 法4，但是HFSS v12 以前的版本中對于電大尺寸的反射面天線的仿真計算幾乎難以完成。HFSS-IE 應(yīng)用而生，它是Ansoft HFSS  v12 版本中的積分方程法求解器，而反射面天線的設(shè)計恰是其典型應(yīng)用之一。 HFSS-IE 集成于HFSS 界面中，與

5、HFSS 采用同樣的界面和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它采用先進(jìn)的壓縮求解技術(shù)，以降低內(nèi)存消耗和求解時間。由于應(yīng)用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，且無需吸收邊界條件，HFSS-IE 特別擅長處理開域問題。    基于此，本文仿真設(shè)計了一種工作于Ka 波段的低副瓣拋物反射面天線。該天線增益大于36dBi，副瓣低于-27dB，其口徑直徑約為30 倍的工作波長。饋源采用E 面扇形喇叭天線，在HFSS 中建立饋源模型并進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計。在 HFSS-IE 中，通過數(shù)據(jù)鏈接的方式將 HFSS 中設(shè)計的饋源作為近場激勵源，進(jìn)行拋物反射面天線的仿真分析。     

6、;2 拋物反射面天線設(shè)計    根據(jù)給定的拋物反射面天線技術(shù)指標(biāo)，利用相關(guān)設(shè)計公式以及天線幾何參數(shù)之間的相互關(guān)系，確定旋轉(zhuǎn)拋物面的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及饋源照射角。根據(jù)邊緣照射電平要求設(shè)計饋源天線，然后利用HFSS 與HFSS-IE 協(xié)同仿真設(shè)計拋物反射面天線。    2.1 天線技術(shù)指標(biāo)    （1）工作頻率： Ka 波段，中心頻率 36GHz ；     （2）電壓駐波比：VSWR 1.5 ；     （3）極化方式： 線

7、極化；     （4）增 益： 36dBi ；     （5）副瓣電平： -25dB ；     （6）尺 寸： 口徑直徑 300mm ；    2.2 拋物面基本參數(shù)計算    如圖1 所示，F(xiàn) 為拋物面的焦點(diǎn)，D 為拋物面的口徑直徑，f 為拋物面的焦距，0為拋物面的口徑張角也即饋源的照射角。在直角坐標(biāo)系（x，y，z）中，頂點(diǎn)在原點(diǎn)的拋物面方程為：    拋物反射面天線的焦距

8、與口徑直徑比（焦徑比）k = f /D 是一個很重要的參量。k 較大時，天線 的電特性較好。但 k 也不能取得太大，否則天線縱向尺寸太長，且能量泄漏大。一般地，k 的取值 在 0.25 0.5 之間。      由于技術(shù)指標(biāo)給定了拋物反射面天線的工作頻率以及增益，可以根據(jù)以下公式（2）計算拋物面的口徑直徑 D：式（2）中， 為工作波長， 為口徑利用效率。 取中心頻率為36GHz 計算，令口徑利用效率 = 50 ，且焦徑比 k = 0.4 。已知 Gain = 36dBi， 那么可得：D = 236.7mm ，f = k * D = 94.7mm

9、。    在得到了以上兩參數(shù)后，拋物面的基本形狀就可以確定了。而設(shè)計饋源就需要得到其照射角 0，利用公式（3）可以得到：    因此計算可得，饋源的照射角 0 = 64°。2.3 饋源喇叭設(shè)計    設(shè)計中，采用E 面扇形喇叭天線作為拋物反射面的饋源，其相位中心置于拋物面的焦點(diǎn)處。 一般地，選擇饋源的初級方向圖對拋物反射面的邊緣照射電平為-10dB，這樣可以得到最大增益。 因此，對于饋源來說其 E 面與H 面兩個主平面的10dB 波瓣寬度應(yīng)該為20 = 128°。即，圖 2 饋源的仿真

10、模型圖    采用Ansoft HFSS v12 設(shè)計所需要的E面扇形喇叭天線，其饋電波導(dǎo)選用BJ-320，壁厚0.5mm。圖2 為饋源的仿真模型圖；圖3 為饋源電壓駐波比隨頻率變化曲線；圖4 為饋源在中心頻率處，E 面與 H 面歸一化方向圖仿真結(jié)果；圖5 為饋源在中心頻率處，E 面與H 面相位方向圖仿真結(jié)果。圖3 饋源電壓駐波比隨頻率變化曲線    由圖3 可見，在所要求的工作頻段內(nèi)，所設(shè)計的饋源天線電壓駐波比小于1.5，達(dá)到了指標(biāo)要求。圖4 饋源歸一化輻射方向圖    由圖4 可見，在中心頻率36GH

11、z 處，饋源天線E面與H面兩個主平面的10dB 波瓣寬度大于123°，且兩個面的方向圖等化性很好。圖5 饋源相位方向圖    由圖5 可見，在中心頻率36GHz 處，饋源天線E面與H面兩個主平面的相位波動平緩。饋源相位中心穩(wěn)定，并且此時相位中心位于饋源喇叭口面的幾何中心。2.4 HFSS 與HFSS-IE 協(xié)同仿真設(shè)計    在HFSS中完成了饋源的設(shè)計之后，就可以通過數(shù)據(jù)鏈接的方式將HFSS 中設(shè)計的饋源作為近場激勵源，進(jìn)行拋物反射面天線的仿真分析。這一過程需要HFSS 與HFSS-IE 的協(xié)同仿真，并且在HFSS-IE

12、中對反射面天線要進(jìn)行建模。    參考圖1 的坐標(biāo)系建模，由于已經(jīng)得到了拋物面的D 與f 的具體數(shù)值，則采用參數(shù)方程很容易建立拋物線。然后，將拋物線繞軸線oz 旋轉(zhuǎn)360° 即可得到所需的旋轉(zhuǎn)拋物面，如圖6 所 示。具體的拋物線參數(shù)方程如下式： x （_t）= _t ；y（_t）= 0 ；z（_t）= _t2 /（4*f）；其中，0 _t D/2     式（5）圖6 旋轉(zhuǎn)拋物反射面模型圖    然后在HFSS-IE 中添加近場激勵源，具體操作為：Excitations &g

13、t; Incident Wave > Near Field Wave，如圖7 所示。需要注意的是，在添加過程中一定要調(diào)整好饋源以及反射面的相對位置關(guān)系，使得饋源的相位中心位于拋物反射面的焦點(diǎn)處。圖7 添加近場激勵源過程    其他的建模設(shè)置過程與 HFSS 中一樣，在拋物反射面建模以及近場激勵源數(shù)據(jù)鏈接完成以后，就可以在 HFSS-IE 中進(jìn)行仿真分析了。與 HFSS 不同的是，在 HFSS-IE 中不需要建立輻射邊界。如圖8 所示，整個仿真過程用時不到38 分鐘，內(nèi)存僅需要236M。倘若采用基于FEM 的HFSS 建模仿真，很難在這么短的時間內(nèi)完成，并且需

14、要很大的計算機(jī)內(nèi)存。因此，采用HFSS 與 HFSS-IE 協(xié)同仿真，在反射面天線設(shè)計中具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。圖8 求解所需時間及內(nèi)存   通過仿真分析，得到了拋物反射面天線的主要電性能，如圖9、 圖10 所示。由此二圖可見，所設(shè)計的拋物反射面天線增益約為36.7dBi，副瓣電平低于-27dB，且3dB 波瓣寬度約為2.5°。這些指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求，并且與理論計算結(jié)果相吻合，進(jìn)而驗證了所采用協(xié)同設(shè)計方法的準(zhǔn)確性和有效性。圖9 拋物反射面天線3D 輻射方向圖圖10 拋物反射面天線歸一化輻射方向圖     3 結(jié)論    本文仿真設(shè)計了一種工作于Ka 波段的低副瓣拋物反射面天線，其口徑直徑約為30 倍的工作波長。饋源采用E面扇形喇叭天線，在HFSS