基于HFSS的4×24 微帶陣列天線的研究與設(shè)計(jì)

    在設(shè)計(jì)微帶陣列天線時(shí)，首先應(yīng)該決定天線單元的結(jié)構(gòu)形式，采用貼片式微帶天線單元。貼片式微帶天線單元按照工作原理可以分為諧振式和行波式。諧振式（也稱駐波式）貼片微帶天線作為陣元具有諸多優(yōu)勢(shì)，單元本身具有一定的方向性，效率較高，一般在 90%以上，半功率波束寬度大致在80°～100° 之間。貼片單元的結(jié)構(gòu)采用插槽結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，貼片的長(zhǎng)度L、寬度W 由阻抗匹配和單元天線的諧振頻率f0決定，諧振頻率f0和諧振阻抗的改變可以通過(guò)調(diào)節(jié)插入寬度s和插入深度N來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    對(duì)于2×4 結(jié)構(gòu)的串并饋駐波子陣天線，可以采用上下排列方式，貼片的開槽和子陣天線的結(jié)構(gòu)分布如圖2所示。各貼片單元尺寸相同，饋電點(diǎn)位置為貼片窄邊的中心。為了將饋線拐角對(duì)單元的影響降到最低， 可以采用調(diào)節(jié) L1 來(lái)實(shí)現(xiàn)。仿真二元子陣確定dH 使兩單元保持同相，調(diào)節(jié)w1 達(dá)到匹配。通過(guò)四元線陣的仿真調(diào)節(jié) T 型分支的 L2、w2 使頻率為f0 時(shí)反射最小，兩個(gè)四元線陣之間按電流幅比為0.7:1 進(jìn)行加權(quán)段設(shè)計(jì)。下子陣與上子陣單元形式相同，但下子陣兩個(gè)四元線陣之間對(duì)應(yīng)的加權(quán)段按1:0.7 設(shè)計(jì)，與上子陣的加權(quán)段構(gòu)成鏡像關(guān)系。

    3  HFSS 仿真設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

    3.1 HFSS仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)

    HFSS 是Ansoft 公司推出的三維電磁仿真軟件，是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS 軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D 圖和3dB 帶寬。繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、Ludwig 第三定義場(chǎng)分量和軸比。

    使用 HFSS 可以計(jì)算：（1）基本電磁場(chǎng)數(shù)值解和開邊界問(wèn)題，近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問(wèn)題；（2）端口特征阻抗和傳輸常數(shù)；（3）S 參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S 參數(shù)；（4）結(jié)構(gòu)的本征�；蛑C振解。而且，由Ansoft HFSS 和Ansoft Designer 構(gòu)成的Ansoft 高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。

圖2 插槽型微帶貼片與子陣天線結(jié)構(gòu)圖

    3.2  陣列天線的整體仿真

    利用HFSS 進(jìn)行微波無(wú)源器件及電路的設(shè)計(jì)大體經(jīng)過(guò)物理建模、給模型參數(shù)賦予初值、運(yùn)行仿真、參數(shù)調(diào)整優(yōu)化等步驟。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模之前，需要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的理論分析過(guò)程，利用微帶天線工程設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，理論分析大體經(jīng)歷分析數(shù)據(jù)、全波仿真分析優(yōu)化貼片尺寸、饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等步驟。利用 HFSS 軟件對(duì)由 RCL 饋電網(wǎng)絡(luò)的2×4 微帶子陣進(jìn)行了仿真，建立的三維物理模型如圖3 所示，通過(guò)數(shù)據(jù)后處理就可以得出全向電場(chǎng)方向圖和全向增益方向圖，分別如圖4 和圖5 所示。按照陣列天線方向圖疊加原理和模塊化的設(shè)計(jì)方法，可以得出4×24 結(jié)構(gòu)微帶陣列天線的整體E 面和H 面方向圖，如圖6 所示。

圖3 2×4微帶子陣列物理模型

圖4 天線全向電場(chǎng)方向圖

    通過(guò)2×4 微帶子陣的全向電場(chǎng)方向圖和全向增益方向圖可知，天線最大估計(jì)電場(chǎng)強(qiáng)度為5.5 V，天線最大估計(jì)增益為4 dB。從微帶陣列天線的整體E 面和H 面方向圖來(lái)看，H 面副瓣為-20.2 dB，3dB 寬度為3.7° ；E 面副瓣為-16.1dB，3 dB 寬度為20.7° ，滿足工程上的設(shè)計(jì)要求。

圖5 天線全向增益方向圖

圖6  整體結(jié)構(gòu)E面和H 面方向圖

    4 結(jié)束語(yǔ)

    本文利用電磁場(chǎng)EDA設(shè)計(jì)軟件HFSS對(duì)微帶陣列天線進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，分析了微帶線饋電方式和同軸線饋電方式饋線傳輸損耗及其對(duì)天線方向圖的影響，設(shè)計(jì)了一種基于同軸線饋電結(jié)構(gòu)的多元矩形微帶陣列天線。首先在HFSS程序設(shè)計(jì)環(huán)境里構(gòu)建了2×4微帶天線子陣的物理模型，得出了全向增益方向圖等特性曲線。利用模塊化的設(shè)計(jì)思想和方向圖疊加原理構(gòu)建了4×24結(jié)構(gòu)的大型微帶陣列天線，仿真結(jié)果表明，該陣列天線的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)滿足工程設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)思想得到了很好的驗(yàn)證。

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