Технические науки/6

Д.т.н. Юрцев О.А.

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Республика Беларусь

Эффективная программа для численного моделирования зеркальных антенн

1. Введение

Численное моделирование антенн является необходимым этапом при их проектировании. В настоящее время наиболее популярными программами численного моделирования различных типов антенн являются программы CST Microwave Studio, HFSS, FEKO. Наиболее эффективной из них для моделирования зеркальных антенн является программа FEKO, так как в ней, кроме строгих методов вычислительной электродинамики, используется приближенный метод – метод физической оптики. Применение этого метода при моделировании рефлектора зеркальной антенны позволяет решать задачи большой размерности (при больших отношениях диаметра рефлектора D к длине волны λ). Но, не смотря на это, моделирование зеркальных антенн с D/λ>20 требует больших компьютерных ресурсов (объема оперативной памяти и времени решения задачи). С ростом D/λ эти требования возрастают. Это связано с тем, что в программе FEKO облучатель зеркальной антенны моделируется строгим методом – методом моментов. Однако известно, что моделирование, например, пирамидального рупора может быть достаточно точно выполнено апертурным методом, не требующим расхода больших компьютерных ресурсов.

Автор настоящей статьи разработал программу численного моделирования зеркальных антенн Ref_ZZ с применением метода физической оптики – для моделирования рефлектора и апертурного метода – для моделирования рупорного облучателя. Кроме того, моделирование рефлектора дублируется методом геометрической оптики в сочетании с интегралом Корхгофа и методом геометрической теории дифракции.

Далее описываются возможности программы, оценивается ее точность и эффективность по сравнению с программой FEKO.

2. Возможности программы

В программе можно решать следующие задачи:

1. Моделировать однозеркальную антенну с симметричным и несимметричным параболическим рефлектором в режиме передачи и приема и двухзеркальную антенну типа Кассегрена в режиме передачи. Облучатель – пирамидальный рупор. В программе геометрические размеры рефлектора, контррефлектора, облучателя и частоту можно задавать в любых пределах.

При моделировании однозеркальной антенны в программе предусмотрено следующее:

· вывод рисунка антенны с заданными параметрами;

· сканирование в двух плоскостях путем смещения рупорного облучателя в картинной плоскости;

· фокусировка антенны на заданное расстояние в режиме передачи путем смещения облучателя вдоль фокальной оси;

· фокусировка антенны в режиме приема сферической волны из заданной точки пространства в дальней, промежуточной и ближней зон;

· вывод диаграммы направленности облучателя в плоскостях Е и Н и уровня облучения края рефлектора по сравнению с центром.

· вывод амплитудного распределения на раскрыве рефлектора;

· смена поляризации с вертикальной на горизонтальную;

· вывод диаграммы направленности в плоскостях Е и Н;

· вывод параметров диаграммы направленности в плоскостях Е и Н;

· вывод распределения амплитуды и фазы поля в картинной плоскости и вдоль фокальной оси в режимах передачи и приема;

· учет случайных ошибок выполнения профиля рефлектора;

· сохранять результаты расчета;

· выводить ранее сохраненные результаты расчета;

· дублирование расчета диаграммы направленности антенны методом геометрической оптики в сочетании с интегралом Кирхгофа (апертурным методом) и методом геометрической теории дифракции (в задней полусфере).

2. Моделировать взаимодействие двух однозеркальных антенн.

При моделировании двухзеркальной антенны программа предоставляет пользователю описанные выше возможности, но только для режима передачи.

Исполняемый файл программы имеет объем 800 KB. При моделировании зеркальных антенн с отношением D/λ<100 требуемый объем оперативной памяти не более 200 МВ.

Далее описанные выше возможности иллюстрируются рядом рисунков – копий с экрана компьютера.

а) С несимметричным рефлектором б) Двухзеркальная Кассегрена

в) Две антенны для расчета взаимодействия

Рис.2. Модели антенны

Рис.3. Диаграмма направленности облучателя в плоскостях Е и Н

Рис.4. Амплитудное распределение поля на поверхности рефлектора в плоскостях Е и Н

Рис.5. Диаграмма направленности антенны в плоскостях Е и Н

а) вдоль фокальной оси б) в фокальной плоскости

Рис.6. Распределение амплитуды поля в ближней зоне

а) вдоль фокальной оси б) в фокальной плоскости

Рис.7. Распределение фазы поля в ближней зоне

Рис.8. Диаграммы направленности в режимах передачи и приема

3. Сравнение программ Ref_ZZ и FEKO по основным показателям

В двух программах проведено моделирование большого числа однозеркальных антенн. Полученные результаты позволяют сделать ряд выводов:

1. Время решения одной и той же задачи в программе Ref_ZZ на порядки меньше, чем в программе FEKO, а объем необходимой оперативной памяти компьютера в несколько раз меньше.

2. Основные параметры диаграммы направленности (ширина главного лепестка и максимальный уровень боковых лепестков) и значения КНД, рассчитанные в двух программах, отличаются на 5-10%.

3. Структура боковых лепестков в двух программах различается, но средние уровни под различными углами в переднем полупространстве близки друг к другу. Для иллюстрации на рис.9 показаны диаграммы направленности для антенны с параметрами D=300 мм, F=150 мм, Ah=35 мм, Bh=25 мм, Lh=34 мм, рассчитанные в двух программа для плоскости Е на частот 10 ГГц. Результаты сравнения для этого примера приведены в таблице 1.

Программа Ref_ZZ

Программа FEKO

Рис.8. Диаграмма направленности, рассчитанная в двух программах

Таблица 1. Параметры сравнения двух программ

Программа	Ширина главного лепестка (град)	Максимальный боковой лепесток (дБ)	КНД (дБ)	Время решения задачи	Объем Оперативной памяти компьютера
Ref_ZZ	6,5	-24,1	29,8	1 мин	57 МВ
FEKO	6,6	-24.5	28,34	2 часа	444 МВ

4. В заднем полупространстве различия в уровне бокового излучения более существенны, особенно в секторе углов Theta=180°50°. Причем программа Ref_ZZ дает завышенный уровень бокового излучения по сравнению с программой FEKO, что иллюстрируется рис.9 для той же антенны.

Программа Ref_ZZ Прграмма FEKO

5. С ростом волновых размеров рефлектора D/λ различия в рассчитанных ДН в двух программах уменьшаются, а различия во времени решения задачи и объеме требуемой оперативной памяти возрастают.

Разработанная программа может быть рекомендована для численного моделирования различных зеркальных антенн при их проектировании.

При необходимости за дополнительной информацией о программе Ref_ZZ обращаться по E-mail: Yurtsev_o@mail.ru