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

    在HFSS中完成了饋源的設(shè)計(jì)之后，就可以通過(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。這一過(guò)程需要HFSS 與HFSS-IE 的協(xié)同仿真，并且在HFSS-IE 中對(duì)反射面天線(xiàn)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(xiàn)。然后，將拋物線(xiàn)繞軸線(xiàn)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(xiàn)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(chǎng)激勵(lì)源，具體操作為：Excitations > Incident Wave > Near Field Wave，如圖7 所示。需要注意的是，在添加過(guò)程中一定要調(diào)整好饋源以及反射面的相對(duì)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(chǎng)激勵(lì)源過(guò)程

    其他的建模設(shè)置過(guò)程與 HFSS 中一樣，在拋物反射面建模以及近場(chǎng)激勵(lì)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(gè)仿真過(guò)程用時(shí)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(shí)間內(nèi)完成，并且需要很大的計(jì)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(xiàn)設(shè)計(jì)中具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

圖8 求解所需時(shí)間及內(nèi)存

   通過(guò)仿真分析，得到了拋物反射面天線(xiàn)的主要電性能，如圖9、 圖10 所示。由此二圖可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的拋物反射面天線(xiàn)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(jì)要求，并且與理論計(jì)算結(jié)果相吻合，進(jìn)而驗(yàn)證了所采用協(xié)同設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性和有效性。

圖9 拋物反射面天線(xiàn)3D 輻射方向圖

圖10 拋物反射面天線(xiàn)歸一化輻射方向圖

    3 結(jié)論

    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)，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。仿真結(jié)果表明，該天線(xiàn)增益大于36dBi，副瓣低于-27dB，滿(mǎn)足技術(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)果也直接證明了采用 HFSS 與HFSS-IE 協(xié)同計(jì)算的準(zhǔn)確性以及快速實(shí)用性。因此，HFSS-IE 對(duì)于大口徑反射面天線(xiàn)的設(shè)計(jì)提供了一種新的解決途徑，在這一設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢(shì)。

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