K波段圓極化反射面天線設計

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

K波段（22GHz）園極化反射面天線1包含一個饋源喇叭2和一個主反射面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，延時波導段7和方圓輸入轉換節(jié)8。

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

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

波紋喇叭方向圖設計仿真：采用T對波紋喇叭4進行遠場方向圖場仿真；
OMT分部件S參數(shù)仿真：采用F分別對6、7、8進行S參數(shù)場仿真；
整個OMT組件S參數(shù)仿真：在CSTDS中將6、7、8組合在一起形成完整的OMT5進行S參數(shù)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的場路協(xié)同仿真得到在兩個正交端口輸入情況下合成方向圖；
反射面天線方向圖仿真：最后，在CSTMWS中將此方向圖作為遠場源加載到反射面焦點上，采用I（即多層快速多極子法）得到最終反射面天線的方向圖。
下面，我們將整個仿真一步一步地簡要介紹一下，供讀者參考。

a）波紋喇叭方向圖設計仿真
啟動Antenna Magus天線庫v3.3（內(nèi)含175種天線），選擇Corrugated conical horn antenna（圓錐波紋喇叭天線），給定中心頻率，點擊Design，Magus即給出一個全參數(shù)化的CST MWS仿真模型。啟動CST，直接打開此工程文件即可。給定15dB波束照射寬度，采用CST MWS時域求解器和內(nèi)置的優(yōu)化器對齒槽進行優(yōu)化，最終得到滿足照射角下最低駐波的喇叭天線設計。在同一個物理端口位置處，定義兩個相互正交的端口模式，形 成兩個波導端口。

b）OMT分部件S參數(shù)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(jié)是三個需要單 獨仿真的部件，定義各自的端口和相匹配的模式數(shù)，便于后續(xù)的DS級聯(lián)。三個部件均是電小尺寸的，所以這里采用頻域有限元求解器F進行仿真。

c）整個OMT組件S參數(shù)仿真
在CST設計工作室（DS）將上述三個部件通過微波網(wǎng)絡原理圖相互連 接。下圖示出原理圖和相應的三維實體模型。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為饋源的兩個正交模輸入，端口3和4則是輸出 給波紋喇叭的兩個正交模式。通過在DS中定義嵌套的Tasks，采用SAM技術，在給定頻帶內(nèi)，對1、2端口的駐波進行優(yōu)化，同時保證端口3、4模式間的 隔離度。

d）整個OMT組件S參數(shù)仿真
仍在上面的DS中，再將波紋喇叭的兩個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。在DS中通過CST MWS co-simulation場路協(xié)同仿真，由電路仿真得到整個正交模饋源喇叭的天線方向圖（右下下圖）。

e）反射面天線方向圖仿真
啟動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處，通過積分方程求解器!I中的多層快速多極子算法得出最終的方向圖。耗時22分鐘，內(nèi)存2.2GB。