利用Ansoft HFSS-IE 設(shè)計(jì)Ka波段低副瓣拋物反射面天線(xiàn)

    【 摘要】本文仿真設(shè)計(jì)了一種工作于Ka 波段的低副瓣拋物反射面天線(xiàn)，該天線(xiàn)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(xiàn)，利用先進(jìn)的三維電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS v12 首先對(duì)饋源進(jìn)行了仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了滿(mǎn)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(jì)了所要求的拋物反射面天線(xiàn)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的拋物反射面天線(xiàn)增益大于36dBi，副瓣低于-27dB。仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果比較吻合，并且滿(mǎn)足了技術(shù)指標(biāo)要求。此外，通過(guò)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程以及軟件仿真結(jié)果也直接證 明了HFSS-IE 計(jì)算的準(zhǔn)確性以及快速實(shí)用性，對(duì)于大口徑反射面天線(xiàn)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

    1 引言

    單反射面天線(xiàn)是指用一個(gè)反射面來(lái)獲得所需方向圖的天線(xiàn)系統(tǒng)，其中拋物反射面天線(xiàn)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(xiàn)，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]。

    如圖1所示，拋物反射面天線(xiàn)由一個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面和一個(gè)饋源組成。拋物面由拋物線(xiàn)繞其軸線(xiàn)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(xiàn)，喇叭天線(xiàn)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(xiàn)的基本原理基于幾何光學(xué)定律的 思想。發(fā)射狀態(tài)時(shí)，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(xiàn)具有銳波束、高增益的性能；接收狀態(tài)時(shí)，外來(lái)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(xiàn)組成及其幾何參數(shù)

    一般地，仿真設(shè)計(jì)拋物反射面天線(xiàn)時(shí)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(jì)算精度不及有限元法（FEM）、矩量法（MOM）以及時(shí)域有限差分法（FDTD）。尤其是在Ka 波段反射面天線(xiàn)設(shè)計(jì)中，對(duì)天線(xiàn)的副瓣、增益等電性能進(jìn)行精確的計(jì)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(duì)于電大尺寸的反射面天線(xiàn)的仿真計(jì)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(xiàn)的設(shè)計(jì)恰是其典型應(yīng)用之一。 HFSS-IE 集成于HFSS 界面中，與 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(shí)間。由于應(yīng)用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，且無(wú)需吸收邊界條件，HFSS-IE 特別擅長(zhǎng)處理開(kāi)域問(wèn)題。

    基于此，本文仿真設(shè)計(jì)了一種工作于Ka 波段的低副瓣拋物反射面天線(xiàn)。該天線(xiàn)增益大于36dBi，副瓣低于-27dB，其口徑直徑約為30 倍的工作波長(zhǎng)。饋源采用E 面扇形喇叭天線(xiàn)，在HFSS 中建立饋源模型并進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。在 HFSS-IE 中，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接的方式將 HFSS 中設(shè)計(jì)的饋源作為近場(chǎng)激勵(lì)源，進(jìn)行拋物反射面天線(xiàn)的仿真分析。

    2 拋物反射面天線(xiàn)設(shè)計(jì)

    根據(jù)給定的拋物反射面天線(xiàn)技術(shù)指標(biāo)，利用相關(guān)設(shè)計(jì)公式以及天線(xiàn)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(jì)饋源天線(xiàn)，然后利用HFSS 與HFSS-IE 協(xié)同仿真設(shè)計(jì)拋物反射面天線(xiàn)。

    2.1 天線(xiàn)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(xiàn)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(jì)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，Φ0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(xiàn)的焦距與口徑直徑比（焦徑比）k = f /D 是一個(gè)很重要的參量。k 較大時(shí)，天線(xiàn) 的電特性較好。但 k 也不能取得太大，否則天線(xiàn)縱向尺寸太長(zhǎng)，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(xiàn)的工作頻率以及增益，可以根據(jù)以下公式（2）計(jì)算拋物面的口徑直徑 D：

式（2）中，λ 為工作波長(zhǎng)，η 為口徑利用效率。 取中心頻率為36GHz 計(jì)算，令口徑利用效率 η = 50 ％，且焦徑比 k = 0.4 。已知 Gain = 36dBi， 那么可得：D = 236.7mm ，f = k * D = 94.7mm。

    在得到了以上兩參數(shù)后，拋物面的基本形狀就可以確定了。而設(shè)計(jì)饋源就需要得到其照射角 Φ0，利用公式（3）可以得到：

    因此計(jì)算可得，饋源的照射角 Φ0 = 64°。

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