K波段圆极化反射面天线的CST设计流程

    K波段（22GHz）园极化反射面天线1包含一个正交模馈源喇叭2和一个主反射面3。正交模馈源喇叭2又分为圆波纹喇叭4和正交模转换器5（OMT）。正交模转换器5又可以分解为转换器6，延时波导段7和方圆输入转换节8。

    直接将整个反射面天线1放在一起进行全波仿真是不可取的，因为它包含一个70个波长的主反射面3，同时又含有直径仅为10.06mm圆波导组成的OMT 5 以及精细的波纹喇叭4。无论采用哪一个单一的算法均无法有效地胜任此 仿真。采用不同的算法仿真不同的部分进行各个击破，才是总为明智的方法。如何进行拆分则需要工程师对天线的 工作原理、微波网络概念以及哪种算法对哪种结构最为有效均要有所了解。

    以下我们将整个仿真拆分为六个场仿真（4、6、7、8、2、3）。下图中的T、F和I分别表示CST MWS中的时域、频域有限元和积分方程求解器。所有这些仿真均在一个CST工程下进行，这就是CST系统组合仿真技术。流程为：

    a) 波纹喇叭方向图设计仿真：采用T对波纹喇叭4进行远场方向图场仿真；

    b) OMT分部件S参数仿真：采用F分别对6、7、8进行S参数场仿真；

    c) 整个OMT组件S参数仿真：在CSTDS中将6、7、8组合在一起形成完整的OMT 5 进行S参数路仿真；

    d) OMT馈源喇叭方向图仿真：再在CST DS中将c)中的5与a)中4组合成完整的正交模馈源喇叭2，利用DS与 MWS的场路协同仿真得到在两个正交端口输入情况下合成方向图；

    e) 反射面天线方向图仿真：最后，在CST MWS中将此方向图作为远场源加载到反射面焦点上，采用I（即多层 快速多极子法）得到最终反射面天线的方向图。

    下面，我们将整个仿真一步一步地简要介绍一下，供读者参考。

    a）波纹喇叭方向图设计仿真

    启动Antenna Magus天线库v3.3（内含175种天线），选择Corrugated conical horn antenna（圆锥波纹喇叭天线），给定中心频率，点击Design，Magus即给出一个全参数化的CST MWS仿真模型。启动CST，直接打开此工程文件即可。给定15dB波束照射宽度，采用CST MWS时域求解器和内置的优化器对齿槽进行优化，最终得到满足照射角下最低驻波的喇叭天线设计。在同一个物理端口位置处，定义两个相互正交的端口模式，形成两个波导端口。

    b）OMT分部件S参数仿真对OMT分析知，喇叭圆波导和两路正交圆波导的相对位置的尺寸是不变的，即构成约束Constraints。喇叭、移 相段、馈电E面方圆转换节是三个需要单独仿真的部件，定义各自的端口和相匹配的模式数，便于后续的DS级联。 三个部件均是电小尺寸的，所以这里采用频域有限元求解器F进行仿真。

    c）整个OMT组件S参数仿真在CST设计工作室（DS）将上述三个部件通过微波网络原理图相互连接。下图示出原理图和相应的三维实体模型。DS能够从原理图一键得到相应的三维结构。原理图中黄色端口1和2为馈源的两个正交模输入，端口3和4则是输 出给波纹喇叭的两个正交模式。通过在DS中定义嵌套的Tasks，采用SAM技术，在给定频带内，对1、2端口的驻波 进行优化，同时保证端口3、4模式间的隔离度。

    d）整个OMT组件S参数仿真 仍在上面的DS中，再将波纹喇叭的两个正交波导端口连接到端口3和4上形成右下图所示的微波网络。在DS中通过CST MWS co-simulation场路协同仿真，由电路仿真得到整个正交模馈源喇叭的天线方向图（右下下图）。

    e）反射面天线方向图仿真

    启动CST MWS将上步得出的正交模馈源喇叭方向图加载到主反射面的焦点处，通过积分方程求解器I中的多层快速多极子算法得出最终的方向图。耗时22分钟，内存2.2GB。