K波段圓極化反射面天線(xiàn)設計

1.系統組合仿真技術(shù)（SAM）– CST DS + CST MWS（T、F、I）

K波段（22GHz）園極化反射面天線(xiàn)1包含一個(gè)饋源喇叭2和一個(gè)主反射面3。正交模饋源喇叭2又分為園波紋喇叭4和正交模轉換器5（OMT）。正交模轉換器5又可以分解為轉換器6，延時(shí)波導段7和方圓輸入轉換節8。

直 接將整個(gè)反射面天線(xiàn)1放在一起進(jìn)行全波仿真是不可取的，因為它包含一個(gè)70個(gè)波長(cháng)的主反射面3，同時(shí)又含有直徑僅為10.06mm圓波導組成的OMT5以 及精細的波紋喇叭4。無(wú)論采用哪一個(gè)單一的算法均無(wú)法有效地勝任此仿真。采用不同的算法仿真不同的部分進(jìn)行各個(gè)擊破，才是總為明智的方法。如何進(jìn)行拆分則 需要工程師對天線(xiàn)的工作原理、微波網(wǎng)絡(luò )概念以及哪種算法對哪種結構最為有效均要有所了解。

以下我們將整個(gè)仿真拆分為六個(gè)場(chǎng)仿真（4、6、7、8、2、3）。下圖中的T、F和I分別表示CSTMWS中的時(shí)域、頻域有限元和積分方程求解器。所有這些仿真均在一個(gè)CST工程下進(jìn)行，這就是CST系統組合仿真技術(shù)。流程為：

波紋喇叭方向圖設計仿真：采用T對波紋喇叭4進(jìn)行遠場(chǎng)方向圖場(chǎng)仿真；
OMT分部件S參數仿真：采用F分別對6、7、8進(jìn)行S參數場(chǎng)仿真；
整個(gè)OMT組件S參數仿真：在CSTDS中將6、7、8組合在一起形成完整的OMT5進(jìn)行S參數路仿真；
OMT饋源喇叭方向圖仿真：再在CSTDS中將c)中的5與a)中4組合成完整的正交模饋源喇叭2，利用DS與MWS的場(chǎng)路協(xié)同仿真得到在兩個(gè)正交端口輸入情況下合成方向圖；
反射面天線(xiàn)方向圖仿真：最后，在CSTMWS中將此方向圖作為遠場(chǎng)源加載到反射面焦點(diǎn)上，采用I（即多層快速多極子法）得到最終反射面天線(xiàn)的方向圖。
下面，我們將整個(gè)仿真一步一步地簡(jiǎn)要介紹一下，供讀者參考。

a）波紋喇叭方向圖設計仿真
啟動(dòng)Antenna Magus天線(xiàn)庫v3.3（內含175種天線(xiàn)），選擇Corrugated conical horn antenna（圓錐波紋喇叭天線(xiàn)），給定中心頻率，點(diǎn)擊Design，Magus即給出一個(gè)全參數化的CST MWS仿真模型。啟動(dòng)CST，直接打開(kāi)此工程文件即可。給定15dB波束照射寬度，采用CST MWS時(shí)域求解器和內置的優(yōu)化器對齒槽進(jìn)行優(yōu)化，最終得到滿(mǎn)足照射角下最低駐波的喇叭天線(xiàn)設計。在同一個(gè)物理端口位置處，定義兩個(gè)相互正交的端口模式，形 成兩個(gè)波導端口。

b）OMT分部件S參數仿真
對 OMT分析知，喇叭圓波導和兩路正交圓波導的相對位置的尺寸是不變的，即構成約束Constraints。喇叭、移相段、饋電E面方圓轉換節是三個(gè)需要單 獨仿真的部件，定義各自的端口和相匹配的模式數，便于后續的DS級聯(lián)。三個(gè)部件均是電小尺寸的，所以這里采用頻域有限元求解器F進(jìn)行仿真。

c）整個(gè)OMT組件S參數仿真
在CST設計工作室（DS）將上述三個(gè)部件通過(guò)微波網(wǎng)絡(luò )原理圖相互連 接。下圖示出原理圖和相應的三維實(shí)體模型。DS能夠從原理圖一鍵得到相應的三維結構。原理圖中黃色端口1和2為饋源的兩個(gè)正交模輸入，端口3和4則是輸出 給波紋喇叭的兩個(gè)正交模式。通過(guò)在DS中定義嵌套的Tasks，采用SAM技術(shù)，在給定頻帶內，對1、2端口的駐波進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)保證端口3、4模式間的 隔離度。

d）整個(gè)OMT組件S參數仿真
仍在上面的DS中，再將波紋喇叭的兩個(gè)正交波導端口連接到端口3和4上形成右下圖所示的微波網(wǎng)絡(luò )。在DS中通過(guò)CST MWS co-simulation場(chǎng)路協(xié)同仿真，由電路仿真得到整個(gè)正交模饋源喇叭的天線(xiàn)方向圖（右下下圖）。

e）反射面天線(xiàn)方向圖仿真
啟動(dòng)CST MWS將上步得出的正交模饋源喇叭方向圖加載到主反射面的焦點(diǎn)處，通過(guò)積分方程求解器!I中的多層快速多極子算法得出最終的方向圖。耗時(shí)22分鐘，內存2.2GB。