X波段卡塞格伦天线设计与仿真

以下为本人课程设计作业的内容，仅供参考！

1.1 卡塞格伦天线简介

1.2 极化扭转

1.3 卡塞格伦天线系统

2.1 HFSS天线设计流程

2.2 HFSS Antenna Design Kit

2.3 HFSS卡塞格伦天线的设计与仿真

1.1 卡塞格伦天线简介

卡塞格伦天线是一种在微波通信中常用的天线，它是从抛物线演变而来的，由三部分组成，即主反射器、副反射器和辐射源。

图 1-1：卡塞格伦天线实物图

1.1.1 卡塞格伦天线的组成

图 1‑2：卡塞格伦天线原理图

卡塞格伦天线由三部分组成，即主反射器、副反射器和辐射源。其中主反射器为旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面。在结构上，双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合，双曲面与抛物面的焦轴重合，而辐射源位于双曲面的另一焦点上，如下图所示。它是由副反射器对辐射源发出的电磁波进行的一次反射，将电磁波反射到主反射器上，然后再经主反射器反射后获得相应方向的平面波波束，以实现定向发射。

1.1.2 卡塞格伦天线的工作原理

当辐射器位于旋转双曲面的实焦点F1处时，由F1发出的射线经过双曲面反射后的射线，就相当于由双曲面的虚焦点直接发射出的射线。因此只要是双曲面的虚焦点与抛物面的焦点相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的射线被抛物面反射成平面波辐射出去。

图 1‑3：抛物面天线和卡塞格伦天线

卡塞格伦天线相对于抛物面天线来讲，它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式，这使天线的结构较为紧凑，制作起来也比较方便。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线，而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近于常数，因而空间衰耗对馈电器辐射的影响要小，使得卡塞格伦天线的效率比标准抛物面天线要高。

1.1.3 优缺点

卡塞格伦天线与普通抛物面天线相比，其主要优点在于：

　　(1) 因为有副面和主面两个的先后反射，便于设计得使主面口面场分布最佳化，以提高口面利用系数，改善天线增益；

　　(2) 由于照射器是放置在靠近主面顶点处，可方便地从主面后面伸出，大大缩短了馈线长度，不仅使得结构紧凑，而且使得接收机高频部分可以直接放在主面后面成为可能，这在低噪声系统中有重要意义；

　　(3) 由于双镜面天线用短焦距抛物面实现了长焦距抛物面的性能，所以卡赛格伦天线能以缩短了的天线纵向尺寸，去解决存在于单镜面天线中的焦距大时性能好但结构复杂的矛盾；

(4) 由于双曲面反射是扩散型的，所以，双镜面系统中，返回馈源的能量较单镜面天线要小，从而减弱了对馈源匹配的影响。但是，因为卡塞格伦天线是一个双反射面的天线系统，从GO方法而言，副反射面、副反射面的支杆以及馈源必然会在主反射面上带来遮挡影响，这使得卡塞格伦天线副瓣抬升、增益降低，这是卡氏天线的缺点。

1.2 极化扭转

在保证机械强度的前提下，为了减小副面支杆的遮挡面积，可把支杆做成窄矩形、锐角等腰三角形，以减小它的投影面积，也可以采用介质支杆的形式。这些措施都可以有效降低支杆遮挡。而副反射面面和馈源辐射口径的遮挡面积不仅重叠，而且互相矛盾。如果减小副面直径，馈源对副面的照射角就随之减小，为了满足副面的边缘照射电平，口径就要相应增大，因此，副面遮挡小时，馈源遮挡就大；如果减小馈源口径，馈源的初级方向图波束宽度必然变宽，为了满足副面的边缘照射电平副反射面口径就要相应增大，所以馈源遮挡小时，副反射面遮挡就大。只有当两者的遮挡面积大致相等时，才能使它们对主面口径的遮挡减至最小，由此就有了一个副面最小遮挡直径。

但是，在天线波束宽度大于1°时，依照最小遮挡原则设计，副瓣电平仍然会因为副面遮挡抬升不少，不能令人满意。即使当天线波束宽度小于1°时，只是因为主反射面电尺寸大，副反射面遮挡显得小些而已，副瓣电平、增益仍然会变差。此时，为了在卡塞格伦天线中尽量降低因为各种遮挡产生的副瓣变差、增益降低的影响，人们就提出了极化扭转技术。它的副反射面是由与馈源辐射的电磁波极化平行的金属栅构成，电磁波由副反射面反射回主反射面后，由主反射面的极化扭转装置将电磁波极化扭转90°因为金属栅对于和它垂直的极化方式表现为强透射，从而将主反射面的能量几乎完全辐射到空间，从理论上消除了副面遮挡因素。

正因为副面遮挡消除，一般将副反射面设计的比较大，而且使用双曲线旋转面的凹面，与主反射面合为一体，这样也就没有了副反射面支杆，支杆遮挡也就消除了。又因为副反射面很大，所以同样的边缘照射电平，馈源辐射口面就很小甚至是缩口波导的形式，这样馈源遮挡也就大大减小了。可见，极化扭转卡塞格伦天线很大程度上减小了遮挡影响。

1.3 卡塞格伦天线系统

1.3.1 误差的产生及原因

卡塞格伦天线系统主要是保证由初级馈源辐射的电磁波经过副面和主面的二次反射后形成与轴线平行的射线,并在主面的口径场上产生等相位面。标准的卡氏天线系统是用抛物面(主面)和双曲面(副面)的组合来达到上述要求。

而实际的卡氏天线由于其机械结构的制造误差以及在各种载荷作用下产生的结构变形,总不能处于理想的卡氏天线位置,其误差将影响天线的电气性能。例如,反射器的表面误差会引起天线口径场上的相位误差,导致天线的增益降低,旁瓣电平增高;指向误差使天线的波束指向发生偏移等等。天线表面误差对电气性能的影响主要取决于各点误差之间的相对值,而并非绝对值。所以,从结构变形考虑,要改善电气性能不一定仅着服于提高机械结构系统的刚度来限制结构变形的绝对值。

1.3.2 最佳吻合双曲面

分析实际卡氏天线系统的机械结构变形状态,对于主、副反射器前言,可以分解为两部分:一部分是整个反射器的刚体运动(移动和转动)及相应曲面参数的变化;另一部分是反射器表面各点相对于新曲面的偏差。

因此,可以作一新的曲面,它相对于原曲面有移动和转动,同时相应的曲面参数有微量的变化,这样的曲面有无穷多个,其中有一个变形后的曲面对它的均方根值偏差(或法向的,或轴向的)最小,此新曲面称为“最佳吻合抛物面”或“最佳吻合双曲面”。

第二章基于HFSS Electronics的卡塞格伦天线设计

2.1 HFSS天线设计流程

图 2-1：HFSS天线设计流程图

通常情况下，完整的HFSS天线设计流程有以下六个步骤：

2.1.1 设置求解类型

HFSS中共有三种求解类型，分别是模式驱动求解（Driven Modal)、终端驱动求解(Driven Terminal)和本征模求解(Eigenmode)。在天线设计中，通常选择模式驱动或者终端驱动求解类型。其中，模式驱动求解类型根据导波模式的入射和反射功率来计算S参数矩阵的解，我们将当前设计的求解类型设置为模式驱动求解类型。

2.1.3 设置边界条件

边界条件用于确定场，正确地设置边界条件是正确使用HFSS、仿真计算出准确结果的前提。而且，灵活地使用边界条件还可以很好地降低模型的复杂度。

2.1.4 设置激励方式

在HFSS 中，激励是一种定义在三维物体表面或者二维平面物体上的激励源，这种激励源可以是电磁场、电压源、电流源或者电荷源。HFSS中定义了多种激励方式，主要有波端口激励(Wave Port)、集总端口激励(Lumped Port )、Floquet端口激励( Floquet Port)、入射波激励(Incident Wave)、电压源激励(Voltage Source)、电流源激励( Current Source）和磁偏置激励( Magnetic Bias)。

天线必须通过传输线或者波导传输信号，天线与传输线或者波导的连接处可以看作是端口平面。天线设计中，端口平面的激励方式多设置为波端口激励或者集总端口激励。其中，如果端口平面与背景相接触，激励方式需要设置为波端口激励;如果端口平面在模型内部，激励方式则需要设置为集总端口激励。

2.1.5 设置求解参数

HFSS 软件采用自适应网格剖分技术，根据用户设置的误差标准，自动生成精确、有效的网格来分析物体模型的电磁特性。HFSS基本的求解参数包括求解频率、自适应网格剖分的最大迭代次数和收敛误差。如果需要进行扫频分析，还需要设置扫频类型和扫频范围。

2.1.6 设计检查和运行求解分析

在HFSS设计中，完成了上述创建天线模型、分配边界条件和激励方式、设置求解参数等操作之后，就完成了设计的准备工作。接下来需要运行设计检查，检查设计的完整性和正确性。在主菜单栏中选择【HFSS】→【Validation Check】命令或者单击工具栏上的必按钮，即可运行设计检查。对于设计检查对话框中出现的警告或错误信息．用户需要仔细查看信息管理窗口的提示信息．根据提示信息找出出现警告或错误的原因.并在设计中做出正确的修改，确认设计正确且完整之后，右键单击工程树下的Analysis节点，在弹出的快捷菜单中选择【Analyze All】命令，或者直接单击工具栏中的按钮，即可运行求解分析。整个求解分析由HFSS软件自动完成，不需要用户干预。分析完成后，如果结果不收敛，则需要重新设置求解参数;如果结果收敛，则说明计算结果达到了设定的精度要求。

2.1.7 天线问题的数据后处理

HFSS拥有强大的数据后处理功能，能够查看天线的各项性能参数分析结果，包括回波损耗、驻波比、Smith圆图、输入阻抗、表面电流分布、电场/增益方向图和轴比等。其中，如果要查看远区场结果，需要在HFSS 中先定义远区场辐射表面。关于查看天线各项性能参数分析结果的具体操作，会在下一章的半波偶极子天线设计实例中进行详细的讲解。

2.1.8 Optimetrics优化设计

Optimetrics是集成在HFSS中的设计优化模块，该模块通过自动分析设计参数的变化对求解结果的影响，实现参数扫描分析(Parametric)、优化设计(Optimization)、调谐分析(Tuning)、灵敏度分析(Sensitivity)和统计分析(Statistical)等功能。

如果前面的分析结果没有达到设计要求，那么可以使用Optimetrics模块的参数扫描分析功能和优化设计功能优化天线的结构尺寸，找到满足设计要求的天线设计。其中，参数扫描分析功能用来分析天线的性能随着指定变量的变化而变化的关系。在优化设计前一般使用参数扫描分析功能来确定被优化变量的合理变化区间。优化设计是HFSS根据特定的优化算法在所有可能的设计变化中寻找出一个满足设计要求的值。

2.2 HFSS Antenna Design Kit

2.2.1 HFSS Antenna Design Kit介绍

HFSS Antenna Design Kit是ANSYS Electronics 提供的天线辅助设计工具，能够自动实现模型建立、求解设置、生成后处理报告等功能。使用该工具可以显著提高使用HFSS进行天线设计的效率。利用该工具生成的所有天线模型都可以直接在HFSS中进行仿真计算。

所有通过Antenna Design Kit 生成的模型将是全参数化模型，在HFSS 中能够非常方便地对各参数的具体数值进行修改。通过HFSS Optimetrics相关功能，还能够进行参数扫描和优化设计，找出天线物理结构尺寸和性能指标之间的关系，得到最优化的设计结果。另外，包括天线输入阻抗、远场辐射方向图等结果都可以通过后处理选项完全自动的生成。

2.2.2 Antenna Design Kit的使用

从主菜单栏中选择【View】->【ACT Extensions】命令，在弹出的ACT Extensions窗口中点击【Lunch Wizards】，然后选择Wizards弹窗下的【HFSS Antenna Toolkit】。

图 2-2：ACT Extensions

接着在HFSS Antenna Toolkit 对话框中找到我们想要设计的天线类型：【Reflector】->【Cassegrain Reflector】

图 2-3：HFSS Antenna Toolkit

主要参数设置：

Settings - Cassegrain Reflector

Center Frequency[GHz]: 10.0 (将天线工作频率设置为10 GHz)

Hybrid Region: PO Region

Feed Selection(这里应该指的是那个喇叭口)

Type: Conical(圆锥喇叭)

Swing Angle [deg] : 0.0 (偏移角度)

Primary Reflector (主反射面)

Diameter [cm] 70.0(直径)

Focal Length [cm] 50.0

Secondary Reflector (副反射面)

Eccentricity 2.0

Interfocal Distance [cm] 25.0(副反射面焦距的距离)

2.2.3 IE Region的应用场景和设置方法

(1) IE Region方法是HFSS 15版本中新增的一种有限元与积分方程算法混合计算算法，与传统的FEBI混合算法相比的区别在于，FEBI是定义在空气盒子外部的截断边界条件，IE Region是将求解域内的某一部分结构采用IE算法进行求解。IE Region的计算具有矩量法所有的优缺点，适合如反射面天线，载体上天线布局等问题。

(2) 物理光学法（PO）是HFSS-IE求解器的一个选项，主要用来计算电大尺寸结构的辐射和散射特性。在计算结构的散射特性时比较简单，仅需设置好入射波激励即可；对于辐射问题，以卡塞格伦天线为例，需要首先进行馈源结构的求解，之后把馈源结构的近场或远场数据通过数据链接的方式导入到天线反射面模型中作为激励源进行二次求解，得到天线的辐射特性。

2.3 HFSS卡塞格伦天线的设计与仿真

2.3.1 Cassegrain Antenna参数设置

这里我们需要设计X波段的卡塞格伦天线，根据IEEE 521-2002标准，X波段是指频率在8-12 GHz的无线电波波段，在电磁波谱中属于微波。而在某些场合中，X波段的频率范围则为7-11.2 GHz。通俗而言，X波段中的X即英语中的“extended”，表示“扩展的”调幅广播。这里我们将【Center Frequency】设置为10 GHz，【Hybrid Region】选择PO Region，因为求解速度相较于IE Region更快。【Feed Selection】(馈源选择)设置为Conical(圆锥喇叭)，其他保持默认即可，点击【Finish】。

图 2-4：卡塞格伦天线模型

图 2-5：设计变量的设计属性对话框

在主菜单栏中选择【HFSS】 →【Design Properties】命令，打开设计属性对话框，查看天线具体的模型尺寸参数变量。

2.3.2 设计检查和运行求解分析

因为创建好的天线，系统已经为我们完成了模型建立、求解设置等步骤，这时我们只需要进行后续步骤即可，这里我们进行设计检查，检查设计的完整性和正确性。在主菜单栏中选择【HFSS】→【Validation Check】命令，即可运行设计检查。此时，会打开如图2-6所示的Validation Check对话框。该对话框中的√表示该步骤完整且正确，若该步骤有警告信息，表示该步骤不完整或者有错误。

图 2-6：设计检查结果对话框

确认设计正确且完整之后，右键单击工程树下的Analysis节点，在弹出的快捷菜单中选择【Analyze All】命令，运行求解分析。整个求解分析由HFSS软件自动完成，不需要用户干预。分析完成后，如果结果不收敛．则需要重新设置求解参数;如果结果收敛，则说明计算结果达到了设定的精度要求。

在仿真计算过程中，工作界面右下方的进度条窗口会显示出求解进度，信息管理窗口也会有相应的信息说明，并会在仿真计算完成后给出完成提示信息。

图 2-7：运行求解分析

仿真的时间长短和下面几个因素有关：

①电脑配置 ②仿真精度 ③模型复杂度 ④天线大小

附加点个人建议：

①使用点频会快很多，如果机子配置一般的话就要尽量避免使用扫频方式。

②另外在具有电磁对称结构的仿真中，尽量用这些对称性简化模型也是很有用的！

③Hybrid Region:选择 PO Region

④中间不要关闭电脑和网络，否则导致进程终止

2.3.3 HFSS天线问题的数据后处理

HFSS拥有强大的数据后处理功能，仿真分析完成后，在数据后处理部分能够给出天线的各项性能参数的仿真分析结果，如回波损耗、驻波比、Smith 圆图、输入阻抗和方向图等。下面我们就借助半波偶极子天线设计实例来讲解 HFSS中查看天线各项性能参数的具体操作。

(1) 回波损耗S11

回波损耗是天线设计中需要关注的重要参数之一，在 HFSS中查看回波损耗S11。

图 2-8：S11的扫频分析结果

(2) 电压驻波比VSWR

图 2-9：卡塞格伦天线的驻波比分析结果

(3) Smith 圆图

在天线的设计中，Smith 圆图是一个很有用的工具。借助于Smith 圆图，能够方便地进行阻抗匹配，给出驻波比，归一化输入阻抗等各种信息。

图 2-10：卡塞格伦天线的Smith 圆图分析结果

(4) 输入阻抗

输入阻抗是天线的一个重要性能参数，除了可以在前面的Smith 圆图结果中查看天线的归一化输人阻抗外，也可以在 HFSS 中直接查看天线的输人阻抗值。

图 2-11：卡塞格伦天线的输入阻抗结果报告

(5) 方向图

天线方向图是方向性函数的图形表示，它可以形象地描绘天线辐射特性随着空间方向坐标变化的关系，是衡量天线性能的重要图形。在天线方向图中可以观察到天线的多项性能参数。在HFSS后处理部分可以方便地绘制出天线的平面方向图和三维立体方面图。

图 2-12：卡塞格伦天线增益方向图

(6) 三维增益方向图

图 2‑13：三维方向增益图

参考文献

[1] 百度词条：卡塞格伦天线

[2] 李明洋. HFSS天线设计. 电子工业出版社, 2011: 10-22

[3] 刘元云. 利用HFSS-IE快速设计大口径卡塞格伦天线[C]. ANSYS2010, 中国用户大会. Ansys公司, 2010.