基于Ansoft HFSS 的圓極化微帶共形陣天線設計

   【摘要】本文提出了一種圓極化微帶共形陣天線的設計方法。利用先進的三維電磁場仿真軟件Ansoft HFSS v12 建立了單元天線以及共形陣天線完整的仿真模型，并進行了仿真與優化設計，最終得到了滿足技術指標要求的天線結構參數。在此基礎上，加工了共形陣天線的實驗樣機，并對其主要電性能進行了實測。測量結果與仿真結果吻合較好，表明所設計的微帶共形陣天線圓極化性能良好，且具有H 面全向輻射特性，進而可用于工程實踐中。通過整個設計過程驗證了本文中所提出設計方法的合理性，同時也體現了Ansoft HFSS v12 作為高頻電磁場仿真工具的有效性和實用性。

    1 引言

    所謂共形陣天線[1]，是指附著于載體表面且與載體貼合的陣列天線，即需要將陣列天線共形安裝在一個固定形狀的表面上，從而形成非平面的共形天線陣。在現代無線通信系統中，共形陣天線由于能夠與飛機、導彈以及衛星等高速運行的載體平臺表面相共形，且并不破壞載體的外形結構及空氣動力學等特性，成為天線領域的一個研究熱點。微帶天線具有平面結構，剖面低、易共形，且組陣時饋電網絡可與輻射單元一體設計[2]。因此，在共形陣天線設計領域微帶天線具有無可比擬的優勢，微帶共形陣天線也大量的應用于各種載體平臺上[3]。

    相比于平面陣天線，共形陣天線的分析與綜合更為復雜。一般地，對共形陣天線的綜合并不僅僅是對其方向圖的綜合，而且在設計的初始階段就要考慮共形陣列天線的形狀、陣列單元的形式以及其分布等問題。另外，在設計中還要考慮共形載體以及單元間互耦效應對陣列以及陣列單元的諧振頻率、帶寬和極化等性能的影響。因此，共形陣列天線的設計是一個復雜的系統問題，對該問題很難有一個嚴格而精確的解決方法，通常采用數值分析方法進行研究。目前，常用的數值分析方法主要有基于積分方程的矩量法（MOM）及其快速算法，基于微分方程的時 域有限差分法（FDTD）和有限元法（FEM）等。然而，對共形陣天線矩量法的分析，通常是采用與載體平臺共形的坐標系中的格林函數，這種方法的確很有用，但是對于復雜的平臺分析的 難度很大。Ansoft HFSS 軟件核心算法是有限元法，不存在上述局限，因而其在分析任意形狀共形陣天線方面具有很高的可實現性和準確性[4]。

    Ansoft HFSS v12 以前的版本中，微帶共形陣天線的建模過程比較復雜。當共形載體形狀比較復雜或者陣列天線饋電網絡級數較多時，不易對共形陣天線進行整體建模。有幸地是，在Ansoft HFSS v12 版本中增加了新的曲面共形建模方法，即 wrap sheet 建模方法。采用這種方法可以將平面的二維圖形卷曲到三維載體表面，從而使共形建模的操作更加方便。基于此，本文提出了一種圓極化微帶共形陣天線的設計方法。利用Ansoft HFSS v12 建立了單元天線以 及共形陣天線完整的仿真模型，并進行了仿真和優化設計。整個設計過程既簡便又靈活，而且省時省力。另外，加工了共形陣天線的實驗樣機并對其主要電性能進行了實測，驗證了本文中 所提出設計方法的合理性。

    2 圓極化微帶共形陣天線設計

    圓極化微帶共形陣天線的設計主要是從給定的天線技術指標入手，選取合理的微帶單元天線形式并進行仿真分析。在此基礎上，設計滿足指標要求的陣列天線饋電網絡（功分網絡），進而進行整陣仿真分析。在共形陣設計過程中，主要用到“wrap sheet”建模方法將帶有饋電網絡的平面陣列整體共形于圓柱形載體平臺表面，從而對整個共形陣進行優化設計，以得到滿足技術指標要求的共形陣天線結構參數。

    2.1 天線技術指標

    （1）工作頻率： GPS L1 頻段，中心頻率 1.575GHz； 
    （2）電壓駐波比：VSWR ≤ 1.5 ； 
    （3）極化方式： 右旋圓極化； 
    （4）天線方向圖：H 面：全向，E 面：定向，8字形； 
    （5）輸入阻抗：50 Ω； 
    （6）外 形： 與給定的圓柱形載體表面相共形，且圓柱體直徑218mm。

    2.2 單元天線設計

    如圖1 的仿真模型所示，采用單饋點切角的正方形微帶貼片形式來設計所要求的單元天線。這種單元通過切角產生微擾元來實現圓極化，其具體結構如圖2 所示。設計中，通過調節切角尺寸，可以優化單元天線軸比性能。由于在貼片邊緣阻抗并不是純電阻，結合單枝節匹配原理， 引入了一個匹配枝節對其阻抗進行調節，以保證饋電端輸入阻抗為純電阻。另外，將饋線彎折處理便于實現小型化。

圖1 單元天線仿真模型

圖2 單元天線結構示意

    選用相對介電常數2.55，厚度1mm 的柔性介質基板。單元的饋電采用和微帶輻射貼片共面的微帶饋線，以達到陣列天線與饋電網絡一體化設計的目的。通過仿真優化，最終得到了單元天線的結構尺寸如表1 所示，且單元天線饋電端輸入阻抗為67Ω 純電阻。

表 1 單元天線結構尺寸（單位:mm）

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