椭球反射面聚焦天线的设计和仿真
椭球面螺旋天线特性分析
通常要求具有圆极化 、 宽波束特性。传统采用 的柱螺 旋天线和微带天线可 以达到这一要求 ， 但也存在很大
的缺点¨ ： 柱螺旋天线轴 向辐射 时， 波瓣宽度和带宽 都 比较窄 ， 实现圆极化需要较多的圈数 ， 增大了天线 的
体积 ； 微带天线在带宽上受到很大的限制， 仅能在较窄 的频带内实现圆极化。球面螺旋天线 ¨ 剖具有轴 向辐
寸 变化对天线的驻波、 增益、 极化及方向图等特性的影响 ， 为不同要 求下天线形式的选取提供 了
良好 的依 据 。
关键词 ： 椭球 面螺旋 天线 ； 矩量 法 ； 螺旋基 函数
中图分类号 ：Ｎ ２ 文献标识码 ： 文章编号： ０ 一 ４ ｌ２０ ）４— ０５ ０ Ｔ ８３ Ａ １ ９ Ｏ ０ （０６ ０ ０３ — ３ ０
对天线 的驻波 、 增益 、 极化及方 向图等特性的影响， 为
其中， 是ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ线所缠绕球 面的半径 ， ａ ｈ为椭 球面的轴 向 尺寸 ，， ｜是缠绕的螺旋圈数 ， 和 妒分别为天线 的俯仰 ７ ＼ ０
收 稿 日期 ：０６ ｌ－６ ２ ０ 一１ ０
作者简介： 夏冬玉， ， ７ 年生 ， 男 １ ８ ９ 博士研究生 ， 主要从事超宽带天线 、 线天线研究。
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３ ６
雷达与对抗
２０ ０６年
第４ 期 ．
角和方位角。这样球面螺旋天线就演变成椭球面螺旋 天线， 如图 ｌ 所示。
为检验函数 ， 经推导可得如下矩阵方程 ：
［ ］ 厶］＝ ［ ］ ｚ ［
（） ６
在求解其阻抗矩阵 ［ ］ ｚ 的元 素时 ， 可充分利用球
Ｔ ｅ ａ ａｙ ｉ ｏ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｓｏ ｌ ｐ ｏｄ ｌｈ ｌ ｎｅ ｎ ｓ ｈ ｎ ｌｓｓ ｆ ｈ ｈ ｒｃｅｉ ｉ ｆｅｌ ｓ ｉ ａ ｅｉａ ａ ｔｎ ａ ｔ ｓｃ ｉ ｃｌ
天线反射面精度检测
天线反射面精度检测天线反射面精度检测是天线制造过程中非常重要的环节之一。
反射面的精度决定了天线的性能，如信号接收灵敏度和指向精度等，因此测试反射面的精度是确保天线性能稳定的一个关键步骤。
首先，为了测试反射面的精度，必须使用具有高精度的测量仪器进行测试。
在制造过程中，应该采用合适的设备来检测反射面的几何形状和表面形貌。
目前，常用的测试方法有激光干涉法、相位比对法和三坐标测量法等。
激光干涉法是一种非常常见的测试反射面精度的方法，它利用激光器原理，发射出一束激光在反射面上做干涉分析，通过分析干涉图来了解反射面的表面质量和形态。
激光干涉法可以测量非常小的形状误差，其测量精度达到亚微米级别。
相位比对法是另一种测试反射面精度的方法，它通过将待测天线与标准天线的信号比对，来判断它们之间的角度误差。
这种方法可以检测得到天线指向偏差的大小和方位。
三坐标测量法是一种通过坐标测量天线反射面的三维空间坐标来进行精度测试的方法。
这种方法可以准确地描述出反射面的表面形貌。
为了保证测试结果准确可靠，还需要对测试环境进行严格的控制。
在测试反射面的过程中，必须确保测试环境干燥、洁净，排除干扰，并且测试温度和湿度等环境参数要控制在稳定范围之内。
同时，测试时需要对天线进行适当的校准和调整，以便获得更准确的测试结果。
在制造过程中，反射面的精度不仅是对反射面本身的一种要求，更是对整个天线性能的关键要求。
因此，测试天线反射面精度是整个天线制造过程中不容忽视的一个环节。
只有通过科学合理的测试方法和严格的测试环境，才能保证反射面精度的准确性，从而确保天线的性能稳定和可靠。
相关数据指的是与天线反射面精度相关的数据，例如反射面表面质量、形状误差、指向精度等。
对这些数据进行分析可以帮助我们了解天线的性能表现和改进方向。
首先是反射面表面质量的数据。
反射面表面质量是反射面精度的一个重要指标，越光滑的表面会导致更好的信号接收灵敏度和指向精度。
通过采用评级系统进行评估，一般分为10个等级，其中1~2级代表表面比较光滑，9~10级代表表面的粗糙程度较高。
基于FZP的双焦点聚焦天线的研究
一
用 在光波与微 波领域应 用广泛 的 Ｆ Ｐ天线ｔ， 设计 了一 种具 Ｚ Ｚ４ ３， ］ 有双焦点结构 ， 且聚焦性能优 良的毫 米波成像 天线 。
＿ 『 Ｊ １ ｉ
一 ｆ —— ｌ
ｚ
２天线 的设 计方案
：＼ ＼ Ｆ ｌ
１２ｘ’ Ｆ
Ｌ ｌ
． ．． ．
ｒ＝ ／ ｍ 、
图 １椭球 反 射 面 天 线
Ｉ ＋ （
（ １ ）
本 文为 形成双 焦点 并提 高 聚焦效 率 ，采用 ／ 位修 ４相 正， 则各环带半径将 由式（） ２得出 ：
Ｌ＋ （ＩＦ）ｍ ／ ｌ 一Ｆ＋ ２ ４ ＝
即：
常用 的椭 球反射面天线 如图 １ 所示 ， 它具有双 焦点结构 ， 能够将来 自一点的能量 聚焦于另一点 。此种类 型的 天线 广泛 应用 于光 学 、 红外 以及毫米波 成像 ［ ５ １ 。它具有接 受灵敏度 要求 低 、 辨率 高的优点 ， 分 但其制 作工艺要求复杂 ， 本高 。 成 菲涅尔相 位修正平板 （ Ｚ ） Ｆ Ｐ 具有结构 简单 、 加工方便 及扫
Ｎ ｎｉｇ２ ０ ０ ） ａｊ ｎ １０ ６
１引 言
与通常人们考 察天线 的远 场辐射 特性不 同 ，对于应 用于
一
描 范围宽 等优点 。 近 年来 ， 毫米波 、 在 微波波 段及 卫星 电视 接收等 场合 ， 该类 平面所构 成的反射 面天线 都有应用［． ２４ ，。而 ３ １ 本文设计 了一种具有 双焦点的新型 Ｆ Ｐ天线（ Ｚ 如图 ２所示） ， 借
（ ２ ）
、 Ｆ２ｒ２ 、 Ｆ ｒ２ ｍ）／＋ Ｉ ２ ／ ｌ ｍ ＋ ／ ２ ｍ ＝ Ｌ Ｆ＋ ＋ ＋ ４ Ｆ
（ ３ ）
FEKO在太赫兹天线和成像仿真中的应用
（1）给定成像空间分辨率 ，根据文献[5]计算 2 / 0.83 ； （2）根据成像距离和结构要求给定 r1 和 r2 ，由高斯理论计算 1 、 f1 、 f 2 和 ； （3）根据 1 设计高斯双模喇叭，收发双模喇叭完全相同，模型如图 3 所示。 表 1 给出了设计完成的太赫兹 SAR 天线参数值，图 4 给出了运用 FEKO 软件的 MLFMM 算法仿真计算的 双模喇叭在 0.2THz 时的远场幅度方向图。 根据方向图曲线， 计算可得双模喇叭在 0.2THz 时等效高斯束腰约为 1.66mm。
-1-
Altair 2015 技术大会论文集
2 FEKO 软件简介
FEKO 软件的核心算法是矩量法（MOM），不同于有限元法（FEM）和时域有限差分法（FDTD），MOM 法是基于严格的频域积分方程方法，无需进行模型的三维空间网格剖分，且无需建立吸收边界条件，这使得 FEKO 在建模计算方面相对比较简便。由于计算资源的限制，MOM 适用于非电大尺寸结构的全波求解。而对 于电大尺寸结构的仿真，FEKO 软件通过引入 GO、PO、UTD 等高频算法可以很好的解决。 针对非电大和电大尺寸混合结构求解的电磁仿真问题，FEKO 软件通过引入高低频混合法（MOM/PO、 MOM/GO、MOM/UTD）、多层快速多极子算法（MLFMM）、口面场激励结合高频电磁算法等可进行解决。 （1）高低频混合法：突破了单一数值计算方法难以解决诸如喇叭激励大型反射面等非电大尺寸结构与电 大尺寸结构共存电磁问题的局限。对于非电大尺寸结构，可以采用精确的全波 MOM 算法，而对于电大尺寸结 构可选用 GO、PO 等算法。 （2）MLFMM：MLFMM 算法源自 MOM，其采用分组逐层计算单元间的相互作用，加速迭代过程中的矩 阵和向量相乘，从而实现快速计算。采用 MLFMM 算法可以极大减少对内存的需求，同时计算速度得到明显提 高，使得一些电大尺寸物体的电磁问题能够得以精确求解。 （3）口面场激励结合高频电磁算法：诸如波束波导馈电反射面天线或透镜等复杂结构，可采用 MLFMM 或 PO 计算每一级反射面的辐射口面场分布，并用口面场馈电下一级反射面或透镜从而完成问题的求解。
实验三 反射聚焦系统 zemax
实验2.2
实验名称：反射聚焦系统
实验要求：设计一椭球反射镜，使其中一共轭点发出的光，汇聚到另一共轭点，成像光斑较小，并使物像位于光轴的上下22.5度，椭球半径为2049mm，二次项系数为－0.111111，物像距反射面的初始距离为2050mm，入设孔径角object cone angle为27度，或近轴F 数paraxial working F为2，波长为0.65um，要求利用fold mirror有效进行坐标变化；根据物距和像距关系找出最佳成像点；利用pick up保证物距和像距大小相等；分析成像光斑的形状和像差。
实验步骤：
1：初始数据
设置入射孔径角为27°，波长为0.65um。
2：镜片设置
将OBJ面的Thickness设为2050，然后将STO的曲率半径设为-2049，Thickness设为-2050，Glass设为MIRROR，Conic设置为-0.111111，之后选择STO添加fold mirror，将角度设置为22.5°，查看结果。
3：优化
设置OBJ的Thickness为变量，使用pick up将STO设置为与OBJ的Thickness相反。
设置优化函数优化并查看结果。
实验结果：
图1 未优化前的IDE
图2 未优化前的3D视图
图3 未优化前的像差
图4 未优化前的像斑
图5 优化后的IDE
图6 优化后的3D视图
图7 优化后的像差
图8 优化后的像斑
ZEMAX功能与用途：
设置入射孔径角，设置椭球面，
实验总结：
通过本次试验学会了如何设计反射聚焦系统，但是优化函数无效果，不知道到底是哪里设置不对，致使系统的参数很不理想，像差很大。
《电子测量技术》2006年总目次
种计算旋转对称 目标散射的有限元算法 张 骅 金 燕 许家栋 ４（１） 基于小波域马尔可夫随机场模型 的 Ｓ Ｒ图像相干斑抑制算法 Ａ 纪 平 李兆军 娄 晓光 ４（４） 孔 径 合 成 式 毫 米 波 辐 射 成 像 系统 中频 处 理 方 案 的研 究 吴华 明 万国龙 ４（７） 微光检测仪采样叠加 电路研 究 ………… 唐 杰 黄启俊 ４（９） 系统 级 边 界 扫 描测 试 系统 的 设计 与 实 现 雷 加 黄 新 颜学龙 陈 凯 ４（ １） １ 确定性 交织 器设计 的改进 ……………… 秦泗玉 沈保锁 ４（ ５） １ 车载天线定向系统设 计 ………………… 侯志强 王祖林 ４（ ７） １
… … … … … … … … … … … … … … … … …
周越文
史业宏 ３（３ ３） 孙 国良 ３（ ５） ３ 沈保锁 ３（ ６） ３ 吴文全 ３（ ８） ３
射 频低 噪 声 放 大 器 电路 结 构 设 计 … … … 杨 国 敏 肖高标 １（１） 矩形截面带状双线传输 线特性 阻抗分 析 杨 争 光 苏 东 林 吕善伟 １（３） 电流沿不对称细园柱偶极子分布多项式估 计 陈 飞 陈 章 友 利用联合仿真实现通信 系统性能分析 …………“ 数字信号处理器 与仿真软件接 口设计 … 法卢 克 张 一 高 速背 板 中 时钟 电路 设 计 … … … … … … … … …江 周 江 刘 王 开 冰 数 据 采 集 系统 ＵＳ ２ ０接 口设 计 … … … 邢 薇 Ｂ． 曼 浩 欢 浩 华 切 ＣＡ 记录仪设计 ……………… 王 洁 苏东林 Ｎ 基 于短时傅立 叶变换语 言信 号分析算法 ４ ８ ６ Ｍ 魏 松 李 琦 赵 仁 才 １（１ ６）
一种格里高利型卫星通信天线的设计
互联网+通信nternet Communication一种格里高利型卫星通信天线的设计□李印涛张义坡中国电子科技集团公司第五十四研究所【摘要】小型卫星通信车载天线要求具有高效率、低副瓣和小型化的特点。
采用格里高利型双偏置天线形式对于单偏置天线更有优势，更容易实现紧凑的结构，满足小型卫星通信车载站的要求。
在天线设计时进行了赋形设计，并使用商用仿真软件进行了仿真计算，利用该方法设计了一种双偏置卫星通信天线。
经实测结果表明，设计的天线电气性能优良，具有良好的实用性。
【关键词】格里高利型双偏置天线赋形设计仿真计算Design of a Gregorian Antenna for Satellite CommunicationL i Yin-tao Zhang Yi-Po(The54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei050081)ABSTRACT Small satellite communication vehicle antenna should have the characteristics of high efficiency,low sidelobe and miniaturization.The form of Gregory double offset antenna is more advantageous for single offset antenna,and it is easier to achieve compact structure,which can meet the requirements of small satellite communication vehicle station.At the time of antenna design,the shaping design is carried out,and the simulation calculation is carried out by using commercial software.A double offset satellite communication antenna is designed by using this method.The experimental results show that the designed antenna has excellent electrical performance and good practicability.Key words Gregorian Antenna,Shape design,simulation calculation.引言：随着科技发展，卫星通信车载站以其机动灵活的特点在卫星通信领域得到广泛的应用，而车载站要求天线具有小型化、高增益、低副瓣的特点。
椭球反射面聚焦天线的设计和仿真
r = rf - r0 = ^x ( x f - x 0 ) + ^y ( y f - y 0 ) + ^z ( z f - z 0 )
( 3)
假设馈源的辐射场为 : Ei =θ^ Eθ +φ^ Eφ ,则反射面上的
感应电流为 :
J = 2^n ×Hi = 2^n ×( ^k ×Ei/η)
( 4)
[ 4 ] 吴东梅 , 吕善伟 , 王伟 , 等. 椭圆极化前馈抛物面天线 的焦场分析[J ] . 系统工程与电子技术 , 2005 , 27 (9) :-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
5 结 论
从上述仿真结果可知 ,椭球反射面天线的汇聚能力取 决于反射面的大小 , 只有反射面足够大才体现出汇聚特 性 。同时 ,偏馈与正馈相比 ,方向图形状不规则 ,汇聚效果 稍好一些 ;但偏馈时反射面的加工复杂得多 。对所给的反 射面大小 ,所设计的椭球反射面天线 ,在 Ku 波段的焦斑不 满足要求 ,在 Ka 波段的焦斑达到指标要求 。
图 7 增大反射面积后计算的 Ka 波段焦场纵剖面
图 5 物理光学法计算的电场纵剖面图
图 5 中 - 3 dB 焦斑最大直径为 2 cm , - 15 dB 焦斑直 径为 4. 3 cm 。比较图 3 和图 5 可知 : 对同一个反射面天 线 ,工作频率越高 ,汇聚能力越好 ,能量越集中 。 4. 4 Ka 波段偏馈
图 1 椭球反射面天线测量电磁材料示意图
2 物理光学法计算反射面的焦场
为了设计焦斑满足要求的反射面 ,需要计算天线的焦 场 ,当选择的椭球参数合适时 , 可以达到 3 dB 焦斑小于 2 cm ×2 cm 的要求 。对于椭球反射面天线 ,馈源位于椭球 的近焦点 ,从几何光学角度分析 ,能量将先集中到椭球的 远焦点 ,然后发散继续传播 。因为远焦点是焦散点 ,所以 不能用几何光学来分析 ,因此 ,本文采用物理光学计算焦 场分布[4] 。计算焦场分布的坐标系统如图 2 所示 。
8mm点聚焦透镜天线设计
8mm点聚焦透镜天线设计作者：马立冬白佳俊付云起来源：《现代电子技术》2016年第11期摘要：根据对物体毫米波信号采集的需要，设计一种工作于8 mm频段的点聚焦透镜天线，选用宽波束微带天线做馈源，设计焦距大小不同的双面透镜，采用电磁仿真软件CST对聚焦透镜天线进行仿真实验，从仿真结果可以看出，不同焦距双面透镜实现了预期聚焦效果且空间分辨率大小能够满足对物体逐点扫描的需求。
关键词：点聚焦透镜；微带天线；焦距；空间分辨率中图分类号： TN820.1⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）11⁃0079⁃03Abstract： A point⁃focusing lens antenna working at 8 mm frequency band was designed according to the demand for millimeter⁃wave signal acquisition. The double⁃sided lens with different focal lengths was designed by selecting the wide beam microstrip antenna as the feed source. The electromagnetic simulation software CST is used to simulate the focusing lens antenna. The simulation results show that the double⁃sided lens with different focal lengths can realize the expected focusing effect and high spatial resolution， which can meet the demand forpoint⁃by⁃point scanning of the object.Keywords： point⁃focusing lens； microstrip antenna； focal length； spatial resolution0 引言近年来，公共场所恐怖袭击事件不断增加，对隐蔽条件下的危险物品的检测与报警已成为亟待解决的问题，当前不仅海关、铁路、机场等场所需要安检，在地铁、政府以及重要的建筑机关也需要严格的安检[1]，应用到公共场所的安检设备成为世界各国重点研究的热点问题。
椭球面反射原理的应用
椭球面反射原理的应用1. 概述椭球面反射原理是一种光学原理，通过椭球面的反射使光线聚焦或扩散的现象。
在现实生活中，椭球面反射原理的应用非常广泛，包括成像系统、照明系统、激光系统等。
本文将介绍几个椭球面反射原理的应用案例。
2. 摄像头成像系统2.1 椭球面反射镜在摄像头的成像系统中，椭球面反射镜起到聚焦的作用。
椭球面反射镜特殊的形状可以将光线汇聚到焦点上，从而实现对被拍摄物体的清晰成像。
椭球面反射镜的形状和材料的选择对成像质量有着重要的影响。
2.2 自动对焦技术椭球面反射原理也被应用于相机的自动对焦技术中。
通过测量反射光线的强度和角度，相机可以自动调整焦距，使得被拍摄物体保持清晰。
这一技术在手机摄像头等设备中得到了广泛应用。
3. 照明系统3.1 汽车大灯椭球面反射原理也被应用于汽车大灯系统中。
椭球面反射镜可以有效地集中光线并将其投射到远处，提供远距离照明。
这样可以帮助驾驶员看清前方道路的情况，提高行车安全性。
3.2 舞台照明在舞台照明系统中，椭球面反射原理被用来控制光线的聚焦和扩散。
通过调整椭球面反射镜的形状和光源的位置，可以实现不同的照明效果，满足演出的需要。
这种灯光效果在演唱会、舞台剧等场合中得到了广泛应用。
4. 激光系统4.1 激光聚焦在激光系统中，椭球面反射原理被用来实现激光的聚焦。
椭球面反射镜可以将激光束聚焦到一个小的焦点上，使得激光更加强大且精准。
这种应用在激光切割、激光打标等领域有着重要作用。
4.2 激光共聚焦显微镜激光共聚焦显微镜是一种高分辨率显微镜，其中椭球面反射原理被用来实现光线的聚焦。
通过将椭球面反射镜置于样品与激光器之间，可以获得非常清晰的显微镜图像，对细胞和微观结构进行观察和研究。
5. 结论椭球面反射原理的应用非常广泛，涉及到成像系统、照明系统和激光系统等。
通过合理设计椭球面反射镜的形状和选择适当的材料，可以实现光线的聚焦或扩散，提高系统的性能和效率。
随着光学技术的不断发展，椭球面反射原理的应用也将继续拓展，为我们的生活和科学研究带来更多的便利和突破。
反射面天线PPT课件
1.单反射面天线
旋转抛物面天线 • 最简单的反射面天线由两个部分组成：一
个大的反射面和一个非常小的馈源。最常 见的形式是抛物面天线，其反射面是一个 旋转抛物面。
旋转抛物面的几何关系
旋转抛物面是由抛物线绕轴旋转一周形
成的。抛物线在如图所示的直角坐标系
中的方程为：
x2 4 fz
(1 1)
式中，f为抛物线焦距，z=f的点称为焦
抛物面天线的增益计算
设抛物面截获的功率为 Pa 则由漏溢所引起的效率为
es
Pa Pr
Pa Pa Ps
1
则抛物面天线增益为
G
EM2 r 2 60Pin
EM2 r 2 60Pr
EM2 r 2 60PaPa PrFra bibliotek Des
4 2
A0eaes
1
即
G
4 2
A0eA, eA
eaes
卡式天线有七个几何参数： Dm :抛物面的口径直径，也是卡式天线的口径直径； Fm :抛物面的焦距，也是卡式天线的焦距； 1m :抛物面的半张角，即馈源对主面的半照射角； Ds :双曲面的直径，即卡式天线副面直径； Fs :实、虚焦点之间的距离，即双曲面的焦距。 2m :馈源对副面的半照射角； a 为双叶双曲面两顶点距离的一 半，e为双曲面的离心率；
主面三个参数之间的关系为： tan 1m Dm
2 4Fm
(2-1)
双曲面参数有直径 Ds，焦距 Fs 2c,e ，1m 和 2m 等。
因为
Fs
Ds 2
(cot1m
cot2m )
得 并有
cot1m
cot2m
椭球面镜声波反射聚焦数值模拟研究
椭球面镜声波反射聚焦数值模拟研究张军;陈鹏;陈正武;赵云;曾新吾【摘要】据Hamilton线性理论解,给出沿椭球面镜轴线的电弧放电等离子声源(AD-PSS)反射波计算结果,分析由镜面引起的相位变化对中心波、边缘波及尾波传播影响.在聚焦前区中心波压力为正,边缘波、尾波压力为负;聚焦后区则相反.在线性条件下,反射波压力峰值出现于椭球面镜几何焦点,越过焦点后反射波压力幅值迅速衰减.利用有限元软件COMSOL对椭球面镜声反射过程进行数值模拟,揭示反射波传播演化过程及声场分布规律.据KZK(Khokblov Zabolotskava Kuznetsov)方程及等效声源法,分析非线性效应对声传播过程影响.研究表明,非线性效应将使椭球面镜实际焦点位置偏离几何焦点,即正压实际焦点出现在几何焦点后,负压实际焦点出现在几何焦点前;随非线性系数增加正压实际焦点后移,负压实际焦点前移.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2016(035)002【总页数】6页(P201-206)【关键词】等离子体声源;反射声波;椭球面镜【作者】张军;陈鹏;陈正武;赵云;曾新吾【作者单位】中国空气动力研究与发展中心气动噪声控制重点实验室,四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心气动噪声控制重点实验室,四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心气动噪声控制重点实验室,四川绵阳621000;国防科学技术大学光电科学与工程学院,长沙410073;国防科学技术大学光电科学与工程学院,长沙410073【正文语种】中文【中图分类】O43我国大功率强声技术发展较快，并广泛应用。
如，医学的体外冲击波碎石、高强度聚焦超声手术，工业的强声粉碎、无损检测及远距离广播等。
尤特金[1] 从理论上证明高压放电在流体介质中会产生较强声波，且为宽频带，大部分能量集中于可听声频段。
再如自然界中雷雨天气时，在剧烈闪电同时伴随的雷声。
Hamilton等[2]对人工条件的强声产生方式进行探索。
反射面天线仿真
利用Ansoft HFSS-IE 设计Ka波段低副瓣抛物反射面天线文章来源: ANSYS 2011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Ansoft HFSS v12 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Ansoft HFSS 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）。
环焦天线的性能分析与设计研究
关 键 词 ：卫 星 地 面 站 ；环 焦 天 线 ；几 何 光 学
中图分类号 ： ＴＮ ２ ． ８８５ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：Ｃ １３ ８ ／ （ Ｏ ２ ０ — ０ ９０ Ｎ１ － ９ ７ Ｇ３ ２ ０ ） ５０ ８ — ３
卫 星 通 信 地 面 站 常 用 卡 塞 格 仑 天 线 和修 正 的 卡 塞 格 仑 天 线 。 由 于 天 线 结 构 的特 点 ， 线 副 面 天
ｌ 环 焦 天 线 的 结 构
环 焦 天 线 分 为 ２类 ： 类 是 副 面 形 状 为 椭 球 一
的 ， 一 类 是 副 面 形 状 为 双 曲 面 的 ， 图 １和 图 另 如
２ 。其 中 ， 者 的馈 源 输 入 驻 波 特 性 和 卡 塞 格仑 天 后
线 基本相 同， 用前 景受 到限制 ； 者性 能优 良， 应 前 已得到广泛应用 ， 我们 的主要研究对象 。 是 副 反 射 面是 椭 球 的 环 焦 天 线 如 图 １所 示 ： ０ 是 馈 源 的 相 位 中 心 ， 是 椭 圆 的 一 个 焦 点 ， 于 环 又 位
寸及 其 与 馈 源 的相 对 几 何 关 系 。 焦 天 线 的 主 面 环 直 径 是 由总 体 指 标 确 定 的 ， 设 计 中 为 已 知 几 何 在 参 数 。 降 低 天 线 近 轴 的副 瓣 电平 ， 大 中 型 卫 星 为 对 通 信 地 面 站 天 线 ， 面 和 主 面 的 口径 比一 般 取 为 副 Ｄ Ｄ ≈ ０ １ 因此 需 要 设 计 的 是 副 面 的 尺 寸 及 其 ／ ．。
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２０ 年 ０２
１ Ｏ月
装 备 指 挥 技 术 学 院 学 报
Ｊ ｕ ｎ １ｏ ｈ ａ ｅ ｙｏ ｕ ｐ ｎ ｍ ｍａ ｄ ＆ Ｔｅ ｈ ｏｌｇ ｏ ｒ ａ ｆｔ ｅ Ａｃ ｄ ｍ ｆＥｑ ｉ ｍｅ ｔＣｏ ｎ ｃｎ ｏ ｙ
八木天线的设计仿真与测试
八木天线的设计仿真与测试一、本文概述本文旨在深入探讨八木天线的设计、仿真与测试。
八木天线，又称作Yagi-Uda天线，是一种广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域的定向天线。
其高效、紧凑和易于调整的特性使得它在众多天线类型中脱颖而出。
本文首先将对八木天线的基本原理和结构进行概述，接着详细介绍其设计过程，包括天线元素的选择、尺寸优化以及馈电方式等。
随后，本文将阐述如何利用仿真软件对八木天线进行性能预测和优化，这包括电磁场仿真、S参数分析、辐射方向图计算等关键步骤。
本文将介绍八木天线的实际测试方法，包括测试环境的搭建、测试设备的选择以及测试结果的分析和解读。
通过本文的阐述，读者将对八木天线的设计、仿真与测试有一个全面而深入的理解，为实际工程应用提供有力的技术支持。
二、八木天线设计基础八木天线，也称为Yagi-Uda天线，是一种定向天线，以其高效、紧凑和易于构造的特性而广泛应用于无线通信系统中。
其设计基础主要包括天线振子的排列、相位控制和馈电方式等方面。
八木天线由一根驱动振子（Driven Element）和若干根反射振子（Reflector）与引向振子（Director）组成。
驱动振子负责接收或发射电磁波，而反射振子和引向振子则通过调整与驱动振子的相对位置和相位，来改变天线的辐射特性。
反射振子通常位于驱动振子的后方，用于抑制后向辐射，提高天线的前向增益。
引向振子则位于驱动振子的前方，用于增强前向辐射。
相位控制在八木天线设计中至关重要。
通过调整各振子间的相位关系，可以控制天线的波束指向和宽度。
通常情况下，反射振子与驱动振子之间的相位差为180度，以产生反向电流，抵消后向辐射。
而引向振子与驱动振子之间的相位差则逐渐减小，以产生同向电流，增强前向辐射。
八木天线的馈电方式通常采用同轴电缆或波导。
馈电点的位置对天线的性能有重要影响。
通常，馈电点位于驱动振子的中点，以保证电流的均匀分布。
馈电线的阻抗匹配也是设计的关键，以确保最大功率的传输。
HFSS-IE反射面仿真
Using 27/27 domains
No core using more than 2GB
3. 反射面天线的HFSS-IE仿真
5
2013/11/28
HFSS-IE
• IE, what is it?
– A 3D Method of Moments (MoM) Integral Equation
30GHz; 1meter (100λ) diameter reflector; Crossed dipole source and struts
3. 反射面天线HFSS-IE仿真
200λ Diameter--- 0.25λ starting Mesh
947,548 triangles 1 pass 71.3 GB RAM 26 hr 49 min solve 10 hr FF calc. 37 hr TOTAL run time
反射面天线的hfss仿真2meter40201311283精确可靠快速易用?成熟可靠的有限元电磁场求解技术适应性好编程难度大?自动化的共形网格生成保持结构的细节特性?独有的自适应网格剖分?自动迭代给出满足精度要求的结果初始网格自适应加密后的网格三维高频结构全波仿真工具hfsshfss1
2013/11/28
∫∫∫ technique
• Automated results with accuracy
– Effective utilization of automated adaptive meshing technique from HFSS
– Employs Adaptive Cross Approximation (ACA) technique for larger simulation
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4 数值计算与软件仿真
采用上述的物理光学法和商业软件分别对所设计的 反射面天线作计算和仿真 。
计算 例 子 取 反 射 面 参 数 为 : a = 160 mm , b = 143. 8 mm ,则焦距 c = 70 mm ,远焦点位于 z = 140 mm 。以 圆锥喇叭为初级馈源 ,分别计算 Ku 、Ka 波段的场分布图 。 4. 1 Ku 波段正馈
图 3 Ku 波段正馈时电场的纵剖面图
小直径为 6. 6 cm ,从图 4 (b) 可看出偏馈稍微改善了反射面 的会聚作用 ,但焦场分布不规则 、会聚强度小且不在预期 的位置 。同时 ,分别比较物理光学和软件仿真得到的焦场 分布图可知 ,二者得到的焦场分布是一致的 ,验证了物理 光学法计算反射面焦场的准确性 。
图 3 (a) 中 - 3 dB 焦斑直径为 2. 7 cm , - 15 dB 焦斑最 小直径为 6. 6 cm ,从图 3 (b) 中可明显看出能量没有汇聚到 远焦点 ,即反射面的会聚作用很小 ,经反射面反射回的波 强度小且分布区域较大 。 4. 2 Ku 波段偏馈
图 4 (a) 中 - 3 dB 焦斑最大直径为 3. 8 cm , - 15 dB 最
图 6 中 - 3 dB 焦斑最大直径为 2. 3 cm , - 15 dB 焦斑 直径为 4. 6 cm 。比较图 5 和图 6 可知 :在 Ka 波段 ,偏馈的 聚焦场稍有改善 ,但场分布不规则 。 4. 5 增大反射面
通过比较 Ku 、Ka 波段的焦场分布可知 ,反射面的电 尺寸越大 ,汇聚能力越好 ,焦斑越小 。为了证明这个结论 , 增大反射面面积后计算 Ka 波段时的焦场 ,如图 7 所示 , - 3 dB焦 斑 最 大 直 径 为 0. 9 cm , - 15 dB 焦 斑 直 径 为 1. 8 cm 。显然 3dB 焦斑很小 ,接近几何光学的结论 。
·23 ·
1 基本测量原理
采用椭球反射面天线测量电磁材料的结构如图 1 所 示 。该测量系统由一对椭球反射面天线组成 ,一个作为发 送天线 ,另一个作为接收天线 ,两个椭球的远焦点重合 ,长 轴重合 ,测量时待测物位于远焦点 。椭球反射面天线有两 个焦点 ,当馈源位于近焦点时 ,则在远焦点形成汇聚场 ,通 过比较远焦点有待测件和没有待测件两种情况下 ,接收天 线收到的信号差异 ,计算出待测件的特性参数 。根据反射 面与馈源的位置不同 , 该测量系统有两种形式 : 正馈和 偏馈 。
5 结 论
从上述仿真结果可知 ,椭球反射面天线的汇聚能力取 决于反射面的大小 , 只有反射面足够大才体现出汇聚特 性 。同时 ,偏馈与正馈相比 ,方向图形状不规则 ,汇聚效果 稍好一些 ;但偏馈时反射面的加工复杂得多 。对所给的反 射面大小 ,所设计的椭球反射面天线 ,在 Ku 波段的焦斑不 满足要求 ,在 Ka 波段的焦斑达到指标要求 。
图 1 椭球反射面天线测量电磁材料示意图
2 物理光学法计算反射面的焦场
为了设计焦斑满足要求的反射面 ,需要计算天线的焦 场 ,当选择的椭球参数合适时 , 可以达到 3 dB 焦斑小于 2 cm ×2 cm 的要求 。对于椭球反射面天线 ,馈源位于椭球 的近焦点 ,从几何光学角度分析 ,能量将先集中到椭球的 远焦点 ,然后发散继续传播 。因为远焦点是焦散点 ,所以 不能用几何光学来分析 ,因此 ,本文采用物理光学计算焦 场分布[4] 。计算焦场分布的坐标系统如图 2 所示 。
图 7 增大反射面积后计算的 Ka 波段焦场纵剖面
图 5 物理光学法计算的电场纵剖面图
图 5 中 - 3 dB 焦斑最大直径为 2 cm , - 15 dB 焦斑直 径为 4. 3 cm 。比较图 3 和图 5 可知 : 对同一个反射面天 线 ,工作频率越高 ,汇聚能力越好 ,能量越集中 。 4. 4 Ka 波段偏馈
Abstract :In t his paper , t he met hod of design and simulation of a kind of elliptical reflector antenna is int roduced. Physical optics met hod is used to comp ute t he current dist ributio n , t he simulation examples are given. Different kinds of feed met hods are co mpared , and t he factors influenced t he size of t he focal are analyzed. It shows t hat off set reflector antenna is more efficient , and t he focus effect is po sitive wit h t he apert ure of reflecto r antenna. Simulation result s using special microwave software are in acco rdance wit h t he t heo ry calculatio n. Keywords :focus ; elliptical reflector antenna ; p hysical optical met hod
研究设计
电 子 测 量 技 术 EL EC TRON IC M EASU R EM EN T TEC HNOLO GY
第 29 卷 第 5 期 2006 年 10 月
椭球反射面聚焦天线的设计和仿真 3
肖辰飞 吕善伟 吴东梅 张 岩
(北京航空航天大学 北京 100083)
摘 要 : 本文根据聚焦要求 ,采用物理光学法分别设计了工作在 Ka 和 Ku 波段的椭球反射面天线 ,计算了正馈和偏 馈两种方式下的反射面的焦场 ,并用电磁场仿真软件进行验证 ,结果表明理论计算与软件仿真结果一致 。同时 ,对影 响焦斑大小的因素进行了分析和比较 ,结果表明无遮挡的偏馈方式的汇聚效果稍优于正馈 ,口面越大聚焦效果越好 。 关键词 : 聚焦 ; 椭球反射面天线 ; 物理光学法
0 引 言
聚焦天线常应用于测量电磁材料特性参数 、微波医疗 设备等 ,常用的聚焦天线有双反射面天线 、椭球反射面天 线 、透镜等[123] 。本文要求设计 3 dB 焦斑小于2 cm ×2 cm , 天线口径小于 12 cm 的聚焦天线 ,用于测量电磁材料参数 。 选用椭球反射面天线作为聚焦天线 ,设计合理的反射面参 数达到所需的指标 。
r = rf - r0 = ^x ( x f - x 0 ) + ^y ( y f - y 0 ) + ^z ( z f - z 0 )
( 3)
假设馈源的辐射场为 : Ei =θ^ Eθ +φ^ Eφ ,则反射面上的
感应电流为 :
J = 2^n ×Hi = 2^n ×( ^k ×Ei/η)
( 4)
第5期
图 4 Ku 波段偏馈时电场的纵剖面图
4. 3 Ka 波段正馈 前面的结论证明了物理光学计算反射面天线的焦场
是可信的 ,所以对 Ka 波段仅用物理光学计算天线焦场 ,因 为工作频率很高 ,如果用软件仿真会花费很长的时间 。椭 球参数与 Ku 波段的椭球参数相同 。
图 6 Ka 波段偏馈时电场的纵剖面图
图 4 Ku 波段偏馈时电场的纵剖面图
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肖辰飞等 :椭球反射面聚焦天线的设计和仿真
把式 (1) ～式 (4) 代入到简化的朱兰成辐 - ( J ·^r) ^r ] e- jkr ds ,则可以计算出远焦点附近
S
r
的场分布 。
3 仿真软件计算反射面的焦场
物理光学法是一种高频近似方法 ,因此 ,需要采用其他 方法作进一步验证 。现在很多电磁场分析软件能够快速 、 精确地对高频结构进行仿真计算 ,本文使用 CST 对椭球反 射面天线进行建模仿真 。部分结构复杂的组件可在专业的 三维制图软件中完成物理模型的建立 ,再导入 EDA 软件。
[ 4 ] 吴东梅 , 吕善伟 , 王伟 , 等. 椭圆极化前馈抛物面天线 的焦场分析[J ] . 系统工程与电子技术 , 2005 , 27 (9) : 150821510 .
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图 2 中 f 1 为近焦点 ; f 2 为远焦点 ; N 为反射面上任一 点 ;θ为 N 与 - z 轴的夹角 ; ^n 为 N 的单位法向量 ; P 为远 焦点附近的任一点 ;以近焦点 f 1 为原点 。
3 基金项目 :国家自然科学基金 (60271012) 资助项目
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第 29 卷
电 子 测 量 技 术
图 2 反射面坐标系统
旋转椭球反射面的几何方程为 :
( z - c) 2 a2
+
x2
+ b2
y2
=1
(1)
反射面上任一点 N 的单位法向量为 :
^n = - [ ^x a2 x0 + ^ya2 y0 + ^zb2 ( z0 - c) ]
(2)
N 点到 P 点的矢径为 :
Design and simulation of ell iptical reflector antenna
Xiao Chenfei L v Shanwei Wu Do ngmei Zhang Yan