利用Ansoft HFSS-IE 设计Ka波段低副瓣抛物反射面天线

    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

    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

   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。
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