利用Ansoft HFSS-IE 設(shè)計(jì)Ka波段低副瓣拋物反射面天線
【 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,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(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。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)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(jì)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(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
單反射面天線是指用一個(gè)反射面來(lái)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]。
如圖1所示,拋物反射面天線由一個(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(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埃瑥亩箳佄锓瓷涿嫣炀具有銳波束、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 波段反射面天線設(shè)計(jì)中,對(duì)天線的副瓣、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。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(zhǎng)。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(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)行拋物反射面天線的仿真分析。
2 拋物反射面天線設(shè)計(jì)
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(jì)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(jì)饋源天線,然后利用HFSS 與HFSS-IE 協(xié)同仿真設(shè)計(jì)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 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(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°。
-
國(guó)內(nèi)最全面的HFSS培訓(xùn)課程,包含7套視頻教程和2本教材,資深專家講解,視頻操作演示,結(jié)合最新工程案例,讓HFSS學(xué)習(xí)不再難...【詳細(xì)介紹】