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利用AnsoftHFSS-IE设计Ka波段低副瓣抛物反射面天线

文章来源:ANSYS2011中国用户大会优秀论文录入:点击数:628

【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

AnsoftHFSSv12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AnsoftHFSS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。

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]。

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AnsoftHFSS的核心算法基于FEM法[4]，

但是HFSSv12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AnsoftHFSSv12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

（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；