反射面天线
平面反射阵天线的优化设计和误差分析
平面反射阵天线的优化设计和误差分析一、引言天线是无线通信系统的重要部件，它的设计和优化对系统的性能和可靠性具有重要的影响。
平面反射阵天线作为天线的一种重要形式，广泛应用于卫星通信、雷达系统和军事通信等领域。
在实际应用中，平面反射阵天线的性能受到多种因素的影响，如天线结构、反射面精度、天线阵列和天线调制等。
因此，对平面反射阵天线的优化设计和误差分析具有重要的理论和实际意义。
二、平面反射阵天线的结构和性能1. 结构平面反射阵天线是由一组单元天线和反射面组成的，其中反射面可以是平面、抛物面或其他形状。
单元天线是相同的，可以是偶极子或小孔喇叭天线。
它们被安装在反射面上，形成一个二维阵列。
2. 性能平面反射阵天线具有多个方向图和极化调制、稳定性好、单元天线尺寸小、方便制造等优点。
它的可控波束聚焦性能优异，可以实现远距离通信。
但是，由于反射面存在高阶波的散射，导致反射波和直射波之间的相位差产生变化，从而影响了天线的性能。
因此，对平面反射阵天线性能的优化设计和误差分析具有很高的实际价值。
三、平面反射阵天线的优化设计1. 单元天线结构优化单元天线是平面反射阵天线的基本构件，其性能的优化对整个系统的性能影响很大。
因此，单元天线的优化设计是平面反射阵天线优化的重要环节。
2. 反射面的形状反射面的形状对平面反射阵天线的性能也有着重要的影响。
传统的反射面形状是平面或抛物面，但这种形状不能完全消除反射波和直射波的相位差。
因此，近年来出现了新的反射面形状，如小涟漪表面、透镜形状，以及具有透镜和涟漪式表面的混合形状等，这些形状能够减小反射波和直射波之间的相位差，提高天线的性能。
3. 反射面精度反射面的精度对平面反射阵天线的性能影响极大。
反射面的误差会导致反射波和直射波发生干涉，从而降低天线的性能。
因此，要求反射面的精度达到非常高的要求，通常为λ/10~λ/20。
四、平面反射阵天线的误差分析平面反射阵天线的性能受到多种误差的影响。
HFSS-IE反射面仿真
反射面天线设计新方法向胜昭ANSYS高级应用工程师天线设计指标①天线扫描方式②天线工作频率③天线增益④天线尺寸限制⑤天线重量要求⑥天线波束覆盖⑦天线副瓣电平⑧天线极化形式⑨天线驻波……决定天线采用什么样的形式具体实现反射面？反射面天线应用分类反射面天线解决方案•“高增益、低副瓣、相控阵”反射面天线•难点：–Electrically Large–High Accuracy (Low sidelobe, shelter)–High complexity(Active match, complicated shelter)Electrically Large高阶有限元＋迭代法矩阵求解器场到场链接(Data Link )混合阶网格剖分(Mixed Element Order)区域分解法(DomainDecomposition Method) 曲面共形网格剖分（Curvilinear Meshing ）…HFIE （高频积分方程法）混合全波分析PO 混合……Dish antennaSingle Cell-ADKHigh AccuracyUnit Cell-FloquetSystem-cosimulationFinite Array-HPC……High complexity------Variety of methodsHigh complexity•解决策略：–HFSS–HPC (DDM –domain decomposition method)–HFSS-IE–HFSS + HFSS-IE (Datalink)–FE-BI (Hybrid Method)–PO (Might as well add HFSS-IE)1. 反射面天线的HFSS仿真2 meter (40λ)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HFSSHFSS 1. 反射面天线HFSS仿真●6GHz solve frequency●2 meter dish (40λ)●11,280 cubic λvolume●CP circular horn feed●Ran two cases:Single 128GB, 8 core2 meter (40λ)1. 反射面天线HFSS仿真6 hours 53minutes tocompleteadaptive pass 194GB of RAMFell back to the direct solver!2. HPC仿真反射面天线2 meter (40λ)•Distributes mesh sub-domains to network of processors•Distributed memory parallel technique •Significantly increases simulation capacity–64-bit meshing•Highly scalable to large numbers of processors •Multi-processor nodes can be utilizedHPC distributes mesh subdomains to networked processors and memoryHPC for HFSSHPC 的使用123456782. HPC 仿真反射面天线•6GHz solve frequency •2 meter dish (40λ)•11,280 cubic λvolume •CP circular horn feed•Ran two cases:Seven mixed machines, 28cores, 72GB2 meter (40λ)ANSYS Test Computers Used1) 4 cores, 8GB (sjc01)2) 4 cores, 8GB (sjc02)3) 4 cores, 8GB (sjc03)4) 4 cores, 8GB (sjc05)5) 4 cores, 8GB (sjc11)6) 4 cores, 16GB (sjc09)7) 4 cores, 16GB (falcon)Total of 7 computers.28 cores, 72GB of RAM.Assembled list of standard workstations to be used for HPC2. HPC 仿真反射面天线Case II: Mixed Machines DDMSplit into 22 domains on the first pass 5 domains not used yet2. HPC 仿真反射面天线< 20 minutes to completeadaptive pass 1(21x faster than single machine)No core using more than 2GBTotal memory use is 1/3 of single machineUsing 22/27 domainsCP sourcePlotting currents2. HPC 仿真反射面天线(Pass 1)2. HPC仿真反射面天线Using 27/27 domains25 minutes to completeadaptive pass 2No core using more than 2GBCP sourcePlotting currents(Pass 2)3. 反射面天线的HFSS-IE仿真∫∫∫HFSS-IE•IE, what is it?– A 3D Method of Moments (MoM) I ntegral E quation technique•Automated results with accuracy–Effective utilization of automated adaptive meshing technique from HFSS –Employs A daptive C ross A pproximation (ACA) technique for larger simulation –Implemented as a new design type in the HFSS desktop•Utilization of results from HFSS as a linked source–Link can include effects of backwards scattering to the source geometry3. 反射面天线HFSS-IE仿真Cavity backed dipole sourceParabolic dish parameterized such that the focus is always at the originPEC support struts, parameterized to change along with the parabolic dishPhase center of the source is set at the focus.3. 反射面天线HFSS-IE仿真●HFSS-IE 可以使用的激励有三种:Lumped port terminalincident wave●HFSS-IE 不用设置辐射边界50λDiameter---0.25λstarting Mesh15GHz; 1meter (50λ) diameter reflector; Crossed dipole source and struts96,778 triangles 2 passes 6.06GB RAM 1 hr 23 min solve 37 min FF calc.2 hr TOTAL run time3. 反射面天线HFSS-IE 仿真Elapsed time here does not include patterncalculation time. Requested only 2D cuts for this model which reduced FF calc. time < 2 hours (not shown in profile).342,731 triangles 2 passes 24.7GB RAM13 hr 50 min solve 2 hr FF calc.16 hr TOTAL run time30GHz; 1meter (100λ) diameter reflector; Crossed dipole source and struts 3. 反射面天线HFSS-IE 仿真100λDiameter---0.25λstarting MeshCould reduce FF calc. time by only requesting 2D cuts.947,548 triangles 1 pass71.3 GB RAM26 hr 49 min solve 10 hr FF calc.37 hr TOTAL run time60GHz; 1meter (200λ) diameter reflector; Crossed dipole source and struts3. 反射面天线HFSS-IE仿真200λDiameter---0.25λstarting Mesh3. 反射面天线HFSS-IE仿真•Simulated three reflector electrical diameters:Adaptive PassesRAMSolve Time (hh:mm)FF Calc. Time (hh:mm)TOTAL Run Time(hh:mm)50λ2 6.1GB 01:2300:37**02:00100λ224.7GB 13:4302:00*15:43200λ171.3GB26:4910:04**36:53*Just 2D cuts at Phi=0, 45, 90 with 0.125 deg theta resolution **3D and 2D sphere calculations3. 反射面天线HFSS-IE仿真Surface currents when the source is not at the focus of the parabola. Note the current disruptions at the struts.50λdiameter dish•Turned ON adaptive meshing for just 2 total passesλ/4λ/8 λ/10 λ/12 λ/20 3. 反射面天线HFSS-IE 仿真Reflector with Struts –WITH Adaptive Meshing4.反射面天线：HFSS-IE&HFSS--Datalink4. 反射面天线HFSS-IE&HFSS--Datalink•15个脊波导角锥馈源•偏馈反射面：下边长6395mm 上边长4428mm ，高4393mm •仿真频率:2GHz 到4GHz4. 反射面天线HFSS-IE&HFSS--Datalink4. 反射面天线HFSS-IE&HFSS--Datalink •HFSS-IE和HFSS的数据链接•全自动,使用方便•高精度,场到场直接数据链接4. 反射面天线HFSS-IE&HFSS--Datalink •反射面上的电流分布和网格剖分•由于仅有1,7,8角锥馈电,因而呈现左右非对称性4. 反射面天线HFSS-IE&HFSS--Datalink•HFSS-IE自动读入HFSS仿真得到的馈源辐射场•只需计算反射面，无需在整个空间求解也可以读入外部馈源远场数据5. FEBI仿真反射面天线FEBI——Hybrid Finite Element-Integral Equation MethodFinite Elements vs. Integral Equations •Integral Equation Based Method –HFSS-IE –Efficient solution technique for open radiation and scattering –Surface only mesh and current solution Airbox not needed to model free space radiationAirbox required tomodel free space radiation•Finite Element Based Method –HFSS–Efficient handle complex materialand geometries–Volume based mesh and fieldsolutionsThis Finite Element-Boundary Integral hybrid method leverages the advantagesof both methods to achieve the most accurate and robust solution for radiatingand scattering problemsConformal radiationvolume with IntegralEquations FEBI的使用Image Source: 5. FEBI仿真反射面天线•Reflector with supporting struts–FE-BI can be created so that it is conformal to entire geometry –Very small FEM volume needed with conformal FE-BI compared to ABC boundaryABCFE-BIBoundary TypeTotal RAM (GB)ABC 45FE-BI1325 Lambda Reflector5. FEBI仿真反射面天线•Reflector with multiple FE-BI domains–Majority of solution volume can be removed between reflector and feed –Volumes enclosed with FE-BI are fully coupled•Backscatter from reflector will influence input impedance of feed1meter10λ1meter 20λ1meter 30λFrequencyMemory Required3 GHz2GB FrequencyMemory Required6 GHz 10GB FrequencyMemory Required9GHz 30GB5. FEBI仿真反射面天线•Antennas1号位：合成孔径雷达(10-20GHz)；3号位：卫星通信天线10.95GHz 为接受、14GHz为发射)；5号位：GPS 天线——两个(1.575GHz)；8号位：C 波段全向天线支架(BLOS:beyond-line-of-sight 超视距，4.8GHz)准确频率数据可以估计。
卡塞格伦天线的工作原理
标准卡塞格伦天线的组成标准卡塞格伦天线由主反射面、副反射面和馈源组成。
为了获得聚焦特性，主反射面必须是旋转抛物面，副反射面是旋转双曲面，馈源可以是各种形式，但一般用喇叭作馈源，安装在主、副反射面之间，其相位中心应置于旋转双曲面的焦点上，双曲面的安装应使双曲面的虚焦点与抛物面的焦点重合，如图所示。
卡塞格伦天线整个就是一个轴对称结构。
副反射面通常置于喇叭馈源的远区。
如果喇叭辐射的球面波方向图是旋转对称的，侧卡式天线就具有轴对称性能。
卡塞格伦天线的工作原理卡式天线的工作原理与抛物面天线的相似，抛物面天线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，从而使抛物面天线具有锐波束、高增益的性能。
卡式天线在结构上多了一个双曲面。
天线作发射时，由馈源喇叭发出的球面波首先由双曲面反射，然后再经主反射面(抛物面)反射出去。
根据双曲面和抛物面的性质，由F'发出的任意一条射线到达某一口径面的波程相等，即，则相位中心在F'处的馈源辐射的球面波前，必将在主反射面的口径上变为平面波前，呈现同相场，即S0面为等相位面，使卡式天线具有锐波束、高增益性能。
天线作接收时的过程正好相反，外来平面波前经主、副反射面反射之后，各射线都将汇聚到馈源所在点F'，由喇叭接收。
卡氏天线的优缺点：优点：（1）馈线短（2）空间衰减SA小（3）减小漏溢（4）等效焦距长（3）设计灵活（7个参数）等缺点：（1）副反射面的遮挡大，但对要求G很高的天线来说，主反射面很大的话，这个遮挡相对就小。
（2）造价高。
卡塞格伦天线的几何参数卡式天线的几何参数关系如图所示：双曲面的四个参量：抛物面有三个参量：(1) 双曲面直径(1) 抛物面直径dD(2) 双曲面焦距fc (2) 抛物面焦距f(3) 双曲面半张角ϕ0 (3) 半张角ψ0(4) 双曲面顶点到抛物面焦点距离Lv在这七个参量中，只有四个是独立的，其余三个可根据抛物面和双曲面的几何关系求出。
线框馈电抛物反射面高功率电磁脉冲辐射天线
第13卷 第5期强激光与粒子束V o l.13,N o.5 2001年9月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S Sep.,2001 文章编号: 100124322(2001)0520619204线框馈电抛物反射面高功率电磁脉冲辐射天线Ξ刘小龙1,2, 樊亚军1,2, 刘国治1, 汪文秉2, 刘 峰1, 宋晓欣1, 易北疆1(1.西北核技术研究所,陕西西安710024; 2.西安交通大学微波与光通信研究所,陕西西安710049) 摘 要: 研制了一种由高功率宽带模式转换结构、导电线框T E M喇叭馈电结构及抛物反射面构成的天线,用其辐射高功率亚纳秒电磁脉冲。
时域测试表明,在半宽为700p s、峰值电压为200kV脉冲激励下,天线的主瓣宽度约为±3.8°,辐射效率约为37%。
关键词: 天线; 脉冲辐射; 高功率 中图分类号: TN788 文献标识码: A 高功率亚纳秒电磁脉冲在目标识别和电磁兼容领域的应用,促进了超宽带脉冲辐射天线的研究。
C.E.Baum及E.G.Farr[1]首先提出了用双锥T E M喇叭馈电及抛物反射面聚束的方法实现电磁脉冲窄束辐射,此后采用共面T E M喇叭(cop lanar T E M ho rn)取代双锥馈电结构有效地减小了馈电结构对聚焦波束的遮挡效应[2]。
本文介绍了一种由同轴馈线、高功率宽带模式转换结构、小T E M喇叭2导电线框级联馈电结构及抛物面组成的高功率超宽带脉冲辐射天线。
相对双锥馈电结构及面对面T E M喇叭(face2to2face T E M ho rn)馈电结构,小T E M喇叭2导电线框级联馈电结构有效地减小了遮挡效应,提高了辐射能力。
1 抛物反射面脉冲辐射天线的特性分析 抛物反射面脉冲辐射天线基本特性主要依赖T E M喇叭馈电结构及抛物面口径。
文献[1]给出了用任意脉冲信号V0s(t)激励天线时,辐射主轴上远区辐射场的理想解析表达式E(r,t)=-V0D4Πrcf g5s(t-2F c)5t-c2F[s(t)-s(t-2F c)](1)式中:c为光速;f g=Z f Z0,Z f是T E M馈电喇叭的输入阻抗,Z0=Λ0 Ε0为自由空间的波阻抗;D为抛物面反射器的直径;F为抛物面的焦距。
复合材料天线反射面的测量与分析
回波能量的设备 … ，主要应用于通信和射 电天文 ，包
括地 面和 空 间的 通 信 直 至对 外 层 空 间 的探 求 。天 线 种类很 多 ，最 主 要 的是 旋转 抛 物 面天 线 ，它 主 要 由旋 转 抛物 面 和馈 源 组 成 。随 着 空 间技 术 和 材 料 技 术 的发 展 ，复 合材 料 在 天 线 中的应 用 日益 广 泛 ，由其 制成 的 天 线反 射 体 具 有 高 强 度 、高 稳 定 性 及 重 量 轻 等 优 点 。 但 复合 材料 天线 反 射 面 的参 数 因受 加 工 工 艺 影 响 比较
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｃ ｍｐｏ ｉｅ ａ ｔｎ ｅ ｅ ｔｒ； ａ ｔ ｎ ａ ｆ ｅ ｏ ｓｔ ｎｅ ｎａ ｒｆ ｃｏ ｌ ｎ ｅ ｎ ｅ ｄ； ｍｅ ｓ ｅ ｎ ； ｓａ ｄａｄ ｄ ｖａ ｉｎ ａ ｕｒ ｍｅ ｔ ｔｎ ｒ ｅ ｉｔｏ
０ 引 言
天 线 是 把 发射 能量 辐 射 到 空 间然 后在 接 收 时 收集
Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔａ ｎ ｌ ｓｓ ｏ ｍ ｐ ｓｔ ｎｔ ｎ ｅ ｅ ｔ ｒ ａｕ ｅ ｎ ｎｄ Ａ ａ ｙ ｉ ｆＣｏ ｏ ｉｅ Ａ ｅ ｎａ Ｒ ｆ ｃ ｏ ｌ
Ｌ ｉｙ ｎ，ＱＵ Ｊａ ｓ Ｕ Ｊａ ａ ｉｎ ｕ
（ ｈｎｃｅｇＩｓｔｔ ｏ ｅ ｏｏｙ＆ Ｍｅｓｒｍ ｎ，Ｂ ｉｎ ０ ０５， ｈｎ ） Ｃ ａｇｈｎ ｔｕｅ ｆ ｔ ｌｇ ｎｉ Ｍ ｒ ａｕｅ ｅｔ ｅｉｇ１０ ９ Ｃ ｉａ ｊ
ｓ ｒａ ｅ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓｗａ ｉ ｕ ｓ ｄ，ａ ｄ ｔｅ ｅ ａ ｕ ｔｏ ｔ ｏ ｆ ｈ ｕ ｌｔ ｆｃ ｍｐ ｓ ｅ ａ ｔｎ ａ ｒ ｆ ｃ ｏ ａ ｒ ｓ ｎｅ ． ｕ ｃ ａ ａ ｔｒ ｓｄ ｓ ｓｅ ｆ ｃ ｎ ｈ ｖ ｌ ａｉｎ ｍｅｈ ｄ ｏ ｅ ｑ ａｉ ｏ ｏ ｏ ｉ ｎｅ ｎ ｅ ｅ ｔ ｒｗ ｓｐ ｅ ｅ ｔｄ ｔ ｙ ｔ ｌ
椭球反射面聚焦天线的设计和仿真
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 。
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
常用卫星通信天线介绍
常用卫星通信天线介绍（一）寇松江(爱科迪信息通讯技术有限公司，北京，100070)E -mail:天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。
地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。
反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。
反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。
下文对一些常用的天线作简单介绍。
1．抛物面天线抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。
发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。
由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。
接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。
图1 抛物面天线抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。
缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。
2．卡塞格伦天线卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。
主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。
从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。
由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。
对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。
修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。