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利用Ansoft HFSS-IE 設計Ka波段低副瓣拋物反射面天線

    在HFSS中完成了饋源的設計之后，就可以通過數據鏈接的方式將HFSS 中設計的饋源作為近場激勵源，進行拋物反射面天線的仿真分析。這一過程需要HFSS 與HFSS-IE 的協同仿真，并且在HFSS-IE 中對反射面天線要進行建模。

    參考圖1 的坐標系建模，由于已經得到了拋物面的D 與f 的具體數值，則采用參數方程很容易建立拋物線。然后，將拋物線繞軸線oz 旋轉360° 即可得到所需的旋轉拋物面，如圖6 所 示。具體的拋物線參數方程如下式：

 x （_t）= _t ；y（_t）= 0 ；z（_t）= _t2 /（4*f）；其中，0 ≤ _t ≤ D/2     式（5）

圖6 旋轉拋物反射面模型圖

    然后在HFSS-IE 中添加近場激勵源，具體操作為：Excitations > Incident Wave > Near Field Wave，如圖7 所示。需要注意的是，在添加過程中一定要調整好饋源以及反射面的相對位置關系，使得饋源的相位中心位于拋物反射面的焦點處。

圖7 添加近場激勵源過程

    其他的建模設置過程與 HFSS 中一樣，在拋物反射面建模以及近場激勵源數據鏈接完成以后，就可以在 HFSS-IE 中進行仿真分析了。與 HFSS 不同的是，在 HFSS-IE 中不需要建立輻射邊界。如圖8 所示，整個仿真過程用時不到38 分鐘，內存僅需要236M。倘若采用基于FEM 的HFSS 建模仿真，很難在這么短的時間內完成，并且需要很大的計算機內存。因此，采用HFSS 與 HFSS-IE 協同仿真，在反射面天線設計中具有相當大的優勢。

圖8 求解所需時間及內存

   通過仿真分析，得到了拋物反射面天線的主要電性能，如圖9、 圖10 所示。由此二圖可見，所設計的拋物反射面天線增益約為36.7dBi，副瓣電平低于-27dB，且3dB 波瓣寬度約為2.5°。這些指標均達到了設計要求，并且與理論計算結果相吻合，進而驗證了所采用協同設計方法的準確性和有效性。

圖9 拋物反射面天線3D 輻射方向圖

圖10 拋物反射面天線歸一化輻射方向圖

    3 結論

    本文仿真設計了一種工作于Ka 波段的低副瓣拋物反射面天線，其口徑直徑約為30 倍的工作波長。饋源采用E面扇形喇叭天線，在HFSS 中建立饋源模型并進行仿真優化設計。在HFSS-IE 中，通過數據鏈接的方式將HFSS中設計的饋源作為近場激勵源，進行拋物反射面天線的仿真分析。仿真結果表明，該天線增益大于36dBi，副瓣低于-27dB，滿足技術指標要求。此外，通過整個設計過程以及軟件仿真結果也直接證明了采用 HFSS 與HFSS-IE 協同計算的準確性以及快速實用性。因此，HFSS-IE 對于大口徑反射面天線的設計提供了一種新的解決途徑，在這一設計領域具有突出的優勢。

[參考文獻]
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