利用 Ansoft HFSS-IE 设计Ka 波段低副瓣抛物反射面天线.pdf-资料库

ANSYS 2011 中国用户大会优秀论文利用 Ansoft HFSS-IE 设计 Ka 波段低副瓣抛物反射面天线杨亚兵李绪平王元源西安电子工程研究所，西安 710100 [ 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 Ansoft HFSS V.12 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 Ansoft 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。 [ 关键词 ] HFSS-IE Ka 波段低副瓣抛物反射面天线 Design of A Ka-Band Low Sidelobe Paraboloidal Reflector Antenna with Ansoft HFSS-IE YANG Ya-Bing, LI Xu-Ping, WANG Yuan-Yuan Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100 [ Abstract ] In this paper, a Ka-band low sidelobe paraboloidal reflector antenna is presented, which is based upon the front-fed single reflector. The source horn antenna is simulated and optimized by using the advanced 3D electromagnetic field simulation software Ansoft HFSS V.12, and the ultimate structure parameters are obtained. On this basis, the desired paraboloidal reflector antenna is designed cooperant with the HFSS and HFSS-IE. The simulation model is build and analysed effectively. The simulated results show that for the designed antenna the gain is greater than 36dBi, and the first sidelobe level is less than -27dB. The simulated results agree well with the numerical ones, which meet the index requirements. Additionally, the whole design process and the simulated results indicate that the HFSS-IE is effective and practical, especially for the design of large reflector antennas. [ Keyword ] HFSS-IE Ka-Band Low Sidelobe Paraboloidal Reflector Antenna 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]。

ANSYS 2011 中国用户大会优秀论文如图 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]。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 Ansoft HFSS 的核心算法基于 FEM 法[4]，但是 HFSS V.12 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 Ansoft HFSS V.12 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。 2.1 天线技术指标

ANSYS 2011 中国用户大会优秀论文（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； 2.2 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，Φ0 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： z =（x2 + y2）/4f 式（1）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 = η*（π*D /λ）2 式（2）式（2）中，λ 为工作波长，η 为口径利用效率。取中心频率为 36GHz 计算，令口径利用效率 η = 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 Φ0，利用公式（3）可以得到： tan（Φ0 /2）= D /4f 式（3）因此计算可得，馈源的照射角 Φ0 = 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 2Φ0 = 128○。即， 2Φ0.1E = 2Φ0.1H = 2Φ0 = 128○ 式（4）图 2 馈源的仿真模型图

ANSYS 2011 中国用户大会优秀论文采用 Ansoft HFSS V.12 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。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由图 4 可见，在中心频率 36GHz 处，馈源天线 E 面与 H 面两个主平面的 10dB 波瓣宽度大于 123○，且两个面的方向图等化性很好。

ANSYS 2011 中国用户大会优秀论文图 5 馈源相位方向图由图 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 ≤ D/2 式（5）图 6 旋转抛物反射面模型图

ANSYS 2011 中国用户大会优秀论文然后在 HFSS-IE 中添加近场激励源，具体操作为：Excitations -> 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。图 7 添加近场激励源过程其他的建模设置过程与 HFSS 中一样，在抛物反射面建模以及近场激励源数据链接完成以后，就可以在 HFSS-IE 中进行仿真分析了。与 HFSS 不同的是，在 HFSS-IE 中不需要建立辐射边界。如图 8 所示，整个仿真过程用时不到 38 分钟，内存仅需要 236M。倘若采用基于 FEM 的 HFSS 建模仿真，很难在这么短的时间内完成，并且需要很大的计算机内存。因此，采用 HFSS 与 HFSS-IE 协同仿真，在反射面天线设计中具有相当大的优势。图 8 求解所需时间及内存

ANSYS 2011 中国用户大会优秀论文通过仿真分析，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

ANSYS 2011 中国用户大会优秀论文分析。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。 [参考文献] [1] 林昌禄．天线工程手册[M] ．北京：电子工业出版社，2002 年 6 月。 [2] 钟玲玲，邱景辉，孙博等．S 波段低副瓣天线的分析与设计[J]．装备环境工程．第 5 卷，第 2 期，2008 年。 [3] 魏文元，宫德明，陈必森．天线原理[M] ．北京：国防工业出版社，1995 年。 [4] 谢拥军，刘莹，李磊等．HFSS 原理及工程应用[M] ．北京：科学出版社，2009 年。 [作者介绍] [1] 杨亚兵，男，硕士，西安电子工程研究所助理工程师，主要从事共形阵列天线，反射面天线以及波导缝隙阵天线方面的研究工作。 -->Email: xdyangyabing@163.com -->Tel:029-85616773 转 610 [2] 李绪平，男，硕士，西安电子科技大学在读博士，西安电子工程研究所工程师，主要从事波导缝隙阵天线，相控阵天线等方面的研究工作。 [3] 王元源，男，博士，西安电子工程研究所工程师，主要从事超宽带阵列天线，反射面天线等方面的研究工作。

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