СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №3/2014

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 64 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2014 Расчёт зеркальных параболических антенн с помощью современных САПР СВЧ Для анализа и расчёта характеристик излучения зеркальных антенн большого электрического размера существуют приближённые методы. В последнее время всё бо ′ льшую популярность приобретает метод физической оптики, который используется в программах GRASP, Mirror и FEKO. Александр Курушин, Евгений Лаврецкий, Сергей Чадов (Москва) Параболическое зеркало Облучатель Штанга Рис. 1. Облучаемая рупором зеркальная параболическая антенна с рассчитанными поверхностными токами В ВЕДЕНИЕ Зеркальные антенны, используемые в спутниковой связи и радиоастроно- мии, имеют размеры от десятков санти- метров до сотен метров [1]. Это означа- ет, что электрические размеры антенн могут составлять сотни длин волн. Рас- чёт таких больших структур строги- ми электродинамическими методами потребовал бы больших вычислитель- ных затрат. Поэтому для анализа и рас- чёта характеристик излучения зеркаль- ных антенн большого электрического размера используют приближённые методы, к которым относятся методы геометрической оптики и геометриче- ской теории дифракции, а также мето- ды физической оптики и физической теории дифракции [2–4]. В настоящее время, благодаря высо- кой эффективности и точности, боль- шую популярность приобрёл метод физической оптики, который даёт аппроксимацию поверхностного элек- трического тока для идеально прово- дящих рассеивателей (рефлекторов). Этот метод использует в качестве клю- чевого алгоритма численного расчёта 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) находят поле излучения зеркальной антенны (вто- ричное поле), а сам расчёт вторично- го поля сводится к вычислению соот- ветствующих двумерных интегралов Фурье от поверхностного электриче- ского тока. Таким образом, в отличие от большинства электродинамических методов, которые сводятся к решению системы уравнений Максвелла, метод физической оптики не требует реше- ния системы линейных алгебраических уравнений большого порядка. По сравнению с методом физиче- ской оптики, метод физической тео- рии дифракции [3, 4] позволяет учесть более тонкие эффекты дифракции первичного поля облучателя на кром- ке зеркала. Как правило, это даёт уточ- нение уровня дальних боковых лепест- ков поля излучения антенны. Однако численная реализация метода физиче- ской теории дифракции является более сложной и менее универсальной, а его применение, с практической точки зре- ния, не является необходимым для ана- лиза больших антенн. Заметим, что метод геометриче- ской оптики даёт меньшую точность при анализе зеркальных антенн, чем метод физической оптики, так как не учитывает поляризационные эффекты (в частности, при анализе зеркальных антенн апертурным методом). Метод геометрической теории дифракции по точности примерно эквивалентен методу физической оптики. Анализ и проектирование зеркаль- ных антенн обычно выполняют с помо- щью уникальных программ, приспо- собленных для решения конкретных задач. Программа GRASP, разработан- ная в компании TICRA [5], является ком- мерчески распространяемой специа- лизированной программой для расчё- та зеркальных антенн и представляет собой промышленный стандарт точно- го моделирования зеркальных антенн. Программа Mirror [6] также пред- назначена для решения специализи- рованных задач, в том числе, задачи облучения рефлектора системой излу- чателей. Как правило, скорость реше- ния задач в подобных программах очень высокая, что позволяет просчи- тать большое число вариантов на эта- пе эскизного проектирования. Ещё одной программой, с помощью которой может быть эффективно рас- считана зеркальная антенна (см. рис. 1), является одна из самых мощных САПР СВЧ – система FEKO [7]. Эта универсаль- ная система позволяет создавать, про- ектировать и оптимизировать разно- образные излучающие структуры. Однако, по нашему опыту, время рас- чёта бывает значительным. В программах GRASP, Mirror и FEKO для расчёта зеркальных антенн исполь- зуется метод физической оптики. Р АСЧЁТ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ В ПРОГРАММЕ M IRROR Программа Mirror предназначена для расчёта характеристик излуче- ния рефлекторных антенн с одиноч- ным или многоэлементным облучате- лем. Работа в программе Mirror начи- нается с выбора параметров задачи. По команде Reflector выводится диа- лог, приведённый на рисунке 2. Для анализа антенны, близкой по разме- рам к офсетной зеркальной антенне [8], выберем в этом диалоге размер зеркала диаметром 268 см с фокусным рассто- янием 138 см. Затем, по команде Array Feed System , появляется диалог, в кото- ром можно задать самые разнообраз- ные способы возбуждения зеркальной антенны (см. рис. 3). В программе Mirror предусмотрено создание до 32 произвольно располо- женных и ориентированных в про- странстве объектов класса Feed (пита- © СТА-ПРЕСС