СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2015

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2015 Моделирование зеркальной антенны с помощью HFSS ANSYS В статье описываются расчёты зеркальной антенны с помощью программы HFSS с использованием как базового метода конечных элементов, так и реализованных в HFSS v.15 методов интегральных уравнений и физической оптики. Реализация разнообразных методов в одной оболочке HFSS позволяет найти разумный компромисс между точностью и временем расчёта при решении разнообразных задач, а также выделить отдельные элементы структуры и рассчитать определённым образом их характеристики, а затем применить гибридизацию. Такой гибридный метод значительно расширяет возможности программы HFSS фирмы ANSYS. Александр Курушин, Евгений Лаврецкий, Семён Дергачёв (Москва) Широко распространённые в настоя- щее время в спутниковой связи радио- астрономии зеркальные антенны име- ют размеры от десятков сантиметров до сотен метров [1]. Это означает, что размеры антенн могут составлять сот- ни длин волн и более. Расчёт таких больших структур строгими электро- динамическими методами потребовал бы больших вычислительных затрат. Для анализа и расчёта характеристик излучения зеркальных антенн боль- шого электрического размера суще- ствуют приближённые методы, к кото- рым относятся методы геометрической оптики и геометрической теории диф- ракции, а также методы физической оптики и физической теории дифрак- ции [2–4]. В настоящее время наибольшую по- пулярность, высокую эффективность и точность приобрёл метод физиче- ской оптики, дающий аппроксимацию поверхностного электрического тока для идеально-проводящих рассеивате- лей (рефлекторов). Метод физической оптики использует в качестве ключево- го алгоритма численного расчёта сле- дующую формулу: (1) где – вектор нормали для каждой точ- ки поверхности рефлектора, – век- тор магнитного поля, создаваемого в данной точке первичным облучате- лем ([А/м]), – поверхностный элек- трический ток на металлическом реф- лекторе ([А/м]). Далее, по известному электрическому току (1) находится поле излучения зеркальной антенны (вторич- ное поле). Расчёт вторичного поля сво- дится при этом к вычислению соответ- ствующих двумерных интеграловФурье от поверхностного электрического тока. Алгоритм реализации в програм- ме HFSS [4] метода физической опти- ки заключается в том, что от каждо- го элементарного тока излучения по направлению к каждой элементар- ной площадке металлического зерка- ла находится вектор магнитного поля, векторное произведение которого на нормаль площадки и определяет ток по формуле (1). Таким образом, в методе физической оптики нет необходимо- сти решать систему линейных алгебра- ических уравнений большого порядка, к чему сводится большинство электро- динамических методов решения систе- мы уравнений Максвелла. По сравнению с методомфизической оптики, применение метода физиче- ской теории дифракции [2–4] позво- ляет учесть ещё более тонкие эффекты дифракции первичного поля облучате- ля на кромке зеркала. Как правило, это даёт уточнение уровня дальних боко- вых лепестков поля излучения антенны. Однако численная реализация метода физической теории дифракции более сложна и не универсальна и примене- ние этого метода, с практической точ- ки зрения, не является необходимым для анализа больших антенн. Отметим, что при анализе зеркаль- ных антенн метод геометрической оптики [2–4] имеет меньшую точность, чем метод физической оптики, так как внёмне учитываютсяполяризационные эффекты (в частности, при анализе зер- кальных антенн апертурнымметодом). Метод геометрической теории дифрак- ции по точности примерно эквивален- тен методу физической оптики. М ОДЕЛИРОВАНИЕ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ Для наглядности приведём решение задачи облучения параболического зеркала различного размера и срав- ним результаты расчёта двумя мето- Рис. 1. Интерфейс программы ADK HFSS