11.1 HFSS陣列天線仿真設(shè)計概述

    本章設(shè)計一個由 25*25 個陣元組成的平面陣列天線，陣列天線的工作頻率為9.25GHz， 陣列天線的陣元為 WR90 型號的矩形波導(dǎo)。陣元沿著 x、y 軸方向規(guī)則排列，在 x、y 軸方向上陣元間距分別為0.5 英寸和1 英寸；陣元之間的相位差通過陣列天線的掃描角來確定，設(shè)置天線的掃描角在theta = 30 °的方向上。WR90 型號矩形波導(dǎo)的截面尺寸為 10.16mm*22.86mm， 即 0.4 英寸*0.9 英寸，工作頻率在 8.20～12.5GHz。平面WR90 矩形波導(dǎo)天線陣列的示意圖如圖 11.1 所示。

圖 11.1 平面 WR90 矩形波導(dǎo)天線陣列示意圖

    11.1.1 陣元模型

   對于陣列天線一類的平面周期性結(jié)構(gòu)問題，在 HFSS 中建模時不需要創(chuàng)建整個天線陣的模型，只需要創(chuàng)建單個陣元模型，然后結(jié)合主從邊界條件和 Floquet 激勵端口設(shè)置便可以構(gòu)造并計算出由任意多個陣元組成的天線陣的性能。

    陣列天線的陣元模型由陣元和自由空間兩部分組成。本例中的陣元是一個橫截面尺寸為0.4 英寸*0.9 英寸的 WR90 矩形波導(dǎo)，在 xOy 平面上規(guī)則排列，沿 x 軸方向排列的陣元間距為 0.5 英寸，沿 y 軸方向排列的陣元間距為 1.0 英寸。因此，陣元模型可以由兩個長方體模型組成， 一個用于模擬截面尺寸為 0.4 英寸*0.9 英寸的矩形波導(dǎo)，一個用于模擬截面尺寸為 0.5 英寸*1.0 英寸的自由空間，模擬陣元波導(dǎo)和自由空間的長方體的高度都取 1 英寸，如圖 11.2 所示。

圖 11.2 陣元模型

   陣元波導(dǎo)模型的底面設(shè)置為波端口激勵；因為在 HFSS 中與背景相接觸的表面自動設(shè)置為理想導(dǎo)體表面，所以陣元波導(dǎo)模型的四壁不需要分配邊界條件，采用默認(rèn)分配的理想導(dǎo)體邊界條件即可。

    自由空間模型的上表面需要設(shè)置為 Floquet 端口激勵，用于模擬周期性表面的輻射問題； Floquet 端口的 A、B 坐標(biāo)軸方向必須和陣元排列方向一致，掃描角或相位延遲需要和主從邊界條件設(shè)置的掃描角或相位延遲保持一致。自由空間模型的四壁需要設(shè)置為主從邊界條件；4 個表面共有兩組主從邊界條件，前后兩側(cè)表面為一組主從邊界條件，左右兩側(cè)表面為一組主從邊界條件；同一組主從邊界表面，其 U、V 坐標(biāo)軸方向必須完全一致，掃描角或相位延遲需要和 Floquet 激勵端口設(shè)置的掃描角或相位延遲保持一致。本例中，使用掃描角來定義陣 元之間的相位誤差，掃描角方向設(shè)為theta = 30 °。 

    11.1.2 HFSS 設(shè)計環(huán)境概述

    >> 求解類型：模式驅(qū)動求解

    >> 建模操作  模型原型：長方體

    >> 邊界條件：主從邊界 

    >> 端口激勵：波端口激勵、Floquet 端口激勵

    >> 求解設(shè)置：9.25GHz 單頻求解

    >> 后處理：天線陣元和天線陣列的二維場強(qiáng)方向圖、三維場強(qiáng)方向圖