基于HFSS的4×24 微帶陣列天線的研究與設計

    在設計微帶陣列天線時，首先應該決定天線單元的結構形式，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勢，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。貼片單元的結構采用插槽結構實現，貼片的長度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調節插入寬度s和插入深度N來實現。

    對于2×4 結構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構分布如圖2所示。各貼片單元尺寸相同，饋電點位置為貼片窄邊的中心。為了將饋線拐角對單元的影響降到最低， 可以采用調節 L1 來實現。仿真二元子陣確定dH 使兩單元保持同相，調節w1 達到匹配。通過四元線陣的仿真調節 T 型分支的 L2、w2 使頻率為f0 時反射最小，兩個四元線陣之間按電流幅比為0.7:1 進行加權段設計。下子陣與上子陣單元形式相同，但下子陣兩個四元線陣之間對應的加權段按1:0.7 設計，與上子陣的加權段構成鏡像關系。

    3  HFSS 仿真設計結果及分析

    3.1 HFSS仿真設計平臺

    HFSS 是Ansoft 公司推出的三維電磁仿真軟件，是世界上第一個商業化的三維結構電磁場仿真軟件，業界公認的三維電磁場設計和分析的電子設計工業標準。HFSS 軟件擁有強大的天線設計功能，它可以計算天線參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D 圖和3dB 帶寬。繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig 第三定義場分量和軸比。

    使用 HFSS 可以計算：（1）基本電磁場數值解和開邊界問題，近遠場輻射問題；（2）端口特征阻抗和傳輸常數；（3）S 參數和相應端口阻抗的歸一化S 參數；（4）結構的本征模或諧振解。而且，由Ansoft HFSS 和Ansoft Designer 構成的Ansoft 高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎的高頻設計解決方案，提供了從系統到電路直至部件級的快速而精確的設計手段，覆蓋了高頻設計的所有環節。

圖2 插槽型微帶貼片與子陣天線結構圖

    3.2  陣列天線的整體仿真

    利用HFSS 進行微波無源器件及電路的設計大體經過物理建模、給模型參數賦予初值、運行仿真、參數調整優化等步驟。在進行計算機建模之前，需要經過詳細的理論分析過程，利用微帶天線工程設計的相關經驗公式來確定相關尺寸數據，理論分析大體經歷分析數據、全波仿真分析優化貼片尺寸、饋電網絡設計等步驟。利用 HFSS 軟件對由 RCL 饋電網絡的2×4 微帶子陣進行了仿真，建立的三維物理模型如圖3 所示，通過數據后處理就可以得出全向電場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計方法，可以得出4×24 結構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 天線全向電場方向圖

    通過2×4 微帶子陣的全向電場方向圖和全向增益方向圖可知，天線最大估計電場強度為5.5 V，天線最大估計增益為4 dB。從微帶陣列天線的整體E 面和H 面方向圖來看，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° ，滿足工程上的設計要求。

圖5 天線全向增益方向圖

圖6  整體結構E面和H 面方向圖

    4 結束語

    本文利用電磁場EDA設計軟件HFSS對微帶陣列天線進行了研究和設計，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天線方向圖的影響，設計了一種基于同軸線饋電結構的多元矩形微帶陣列天線。首先在HFSS程序設計環境里構建了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。利用模塊化的設計思想和方向圖疊加原理構建了4×24結構的大型微帶陣列天線，仿真結果表明，該陣列天線的各項參數指標滿足工程設計要求，設計思想得到了很好的驗證。

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