K波段圓極化反射面天線的CST設(shè)計(jì)流程

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

    直接將整個(gè)反射面天線1放在一起進(jìn)行全波仿真是不可取的，因?yàn)樗�包含一個(gè)70個(gè)波長的主反射面3，同時(shí)又含有直徑僅為10.06mm圓波導(dǎo)組成的OMT 5 以及精細(xì)的波紋喇叭4。無論采用哪一個(gè)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(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的 工作原理、微波網(wǎng)絡(luò)概念以及哪種算法對哪種結(jié)構(gòu)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)場仿真（4、6、7、8、2、3）。下圖中的T、F和I分別表示CST MWS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(tǒng)組合仿真技術(shù)。流程為：

    a) 波紋喇叭方向圖設(shè)計(jì)仿真：采用T對波紋喇叭4進(jìn)行遠(yuǎn)場方向圖場仿真；

    b) OMT分部件S參數(shù)仿真：采用F分別對6、7、8進(jìn)行S參數(shù)場仿真；

    c) 整個(gè)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OMT 5 進(jìn)行S參數(shù)路仿真；

    d) OMT饋源喇叭方向圖仿真：再在CST DS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(gè)正交端口輸入情況下合成方向圖；

    e) 反射面天線方向圖仿真：最后，在CST MWS中將此方向圖作為遠(yuǎn)場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的方向圖。

    下面，我們將整個(gè)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(shè)計(jì)仿真

    啟動(dòng)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(diǎn)擊Design，Magus即給出一個(gè)全參數(shù)化的CST MWS仿真模型。啟動(dòng)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(shí)域求解器和內(nèi)置的優(yōu)化器對齒槽進(jìn)行優(yōu)化，最終得到滿足照射角下最低駐波的喇叭天線設(shè)計(jì)。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(dǎo)端口。

    b）OMT分部件S參數(shù)仿真對OMT分析知，喇叭圓波導(dǎo)和兩路正交圓波導(dǎo)的相對位置的尺寸是不變的，即構(gòu)成約束Constraints。喇叭、移 相段、饋電E面方圓轉(zhuǎn)換節(jié)是三個(gè)需要單獨(dú)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(jí)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(shù)仿真在CST設(shè)計(jì)工作室（DS）將上述三個(gè)部件通過微波網(wǎng)絡(luò)原理圖相互連接。下圖示出原理圖和相應(yīng)的三維實(shí)體模型。DS能夠從原理圖一鍵得到相應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)。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。通過在DS中定義嵌套的Tasks，采用SAM技術(shù)，在給定頻帶內(nèi)，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(shù)仿真 仍在上面的DS中，再將波紋喇叭的兩個(gè)正交波導(dǎo)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CST MWS co-simulation場路協(xié)同仿真，由電路仿真得到整個(gè)正交模饋源喇叭的天線方向圖（右下下圖）。

    e）反射面天線方向圖仿真

    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(nèi)存2.2GB。