基于HFSS的4_24微帶陣列天線的研究與設(shè)計(jì)

1、第26卷第5期 齊 齊 哈 爾 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) Vol.26,No.5 2010年9月 Journal of Qiqihar University Sep.,2010 基于HFSS 的4×24微帶陣列天線的研究與設(shè)計(jì)惠鵬飛，夏穎，周喜權(quán)，陶佰睿，苗鳳娟（齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）摘要：微帶陣列天線的饋電方式有微帶線饋電和同軸饋電兩種方式，本文利用HFSS軟件對(duì)微帶陣列天線進(jìn)行了研究，分析了兩種饋電方式的傳輸損耗及其對(duì)天線方向圖的影響，利用模塊化的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)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。在HFSS仿真設(shè)計(jì)環(huán)境里對(duì)天線進(jìn)行了物理

2、建模，該微帶陣列天線的方向圖特性良好，工程上實(shí)現(xiàn)比較方便。關(guān)鍵詞：微帶陣列天線；模塊化設(shè)計(jì)；HFSS仿真；物理建模；方向圖中圖分類號(hào)：TN820.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-984X(201005-0009-04隨著無線電技術(shù)的發(fā)展，微帶天線在許多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用場合包括：衛(wèi)星通信、多普勒雷達(dá)及其它制式雷達(dá)、導(dǎo)彈遙測系統(tǒng)、復(fù)雜天線中的饋電單元等。微帶天線通常采用天線陣列的形式，由饋電網(wǎng)絡(luò)控制對(duì)天線子陣的激勵(lì)幅度和相位，以獲得高增益、強(qiáng)方向性等特點(diǎn)。微帶陣列天線的饋電方式主要有微帶線饋電和同軸線饋電方式兩種。利用微帶線饋電時(shí)，饋線與微帶貼片是共面的，因此可以方便地

3、光刻，但缺點(diǎn)是損耗較大，在高效率的天饋系統(tǒng)里的應(yīng)用受到較大限制。本文首先對(duì)微帶饋電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的損耗進(jìn)行了詳細(xì)分析，利用HFSS 軟件設(shè)計(jì)了2×4結(jié)構(gòu)的微帶子陣，采用同軸饋電的方式，利用模塊化設(shè)計(jì)方法和方向圖疊加原理最終實(shí)現(xiàn)了4×24矩形微帶陣列天線，仿真設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該大型矩形微帶陣列天線的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)良好，設(shè)計(jì)思想得到了很好的驗(yàn)證。 211 微帶陣列及饋電網(wǎng)絡(luò)損耗分析1.1 微帶陣列理論微帶天線單元的增益較小，一般單個(gè)貼片單元的輻射增益只有68 dB，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸和獲得更大的增益，尤其是對(duì)天線的方向性要求比較苛刻的場合，常采用由微帶輻射單元組成的微帶陣列天線，如果對(duì)增

4、益要求較高，可采用大型微帶陣列天線結(jié)構(gòu)。首先分析平面微帶陣列天線的激勵(lì)電流與電場分布情況，無論是線天線還是面天線，其輻射源都是高頻電流源，天線系統(tǒng)將高頻電流源的能量轉(zhuǎn)換成電磁波的形式發(fā)射出去，討論電流源的輻射場是分析天線的基礎(chǔ)。假設(shè)由若干相同的微帶天線元組成的平面陣結(jié)構(gòu)，建立三維坐標(biāo)系分析陣列天線的場量分布情況。以陣列的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，天線在x 軸方向和y 軸方向的單元編號(hào)分別用m 和n 表示。以原點(diǎn)天線單元為相位參考點(diǎn)，為了簡化分析，假設(shè)陣列中各單元間互耦影響可以忽略不計(jì)，各單元激勵(lì)電流為j(m xs +n ys 3I mn e ，天線陣在遠(yuǎn)區(qū)的輻射總場E (, 為E (, =f (, S

5、(, 式中，f (, 為陣元的方向性函數(shù)，S (, 為平面陣的陣方向性函數(shù)。平面陣因子是兩個(gè)線陣因子的乘積，可以利用線陣方向性分析的結(jié)論來分析平面陣列的方向性。1.2 饋電網(wǎng)絡(luò)及損耗分析天線只有承載高頻電流才能有電磁波輻射，饋線指將高頻交流電能從電路的某一段傳送到另一段所用 的設(shè)備，對(duì)天線的饋電包括對(duì)單元天線的饋電和陣列天線的饋電兩種形式。當(dāng)利用傳輸線對(duì)陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行 收稿日期：2010-06-06基金項(xiàng)目：齊齊哈爾市科技局工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目（GYGG-09011-2）作者簡介：惠鵬飛（1980-）,男，遼寧凌源人，講師，碩士，主要從事雷達(dá)極化信息處理的研究，weibo505。·10

6、3; 齊 齊 哈 爾 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 2010年 激勵(lì)時(shí)，可以采用微帶線饋電和同軸線饋電兩種方案。當(dāng)采用微帶線對(duì)陣列天線進(jìn)行饋電時(shí)，微帶線和金屬輻射貼片在同一平面內(nèi)，在工程加工時(shí)帶來許多方便，制作簡單且成本低廉。但微帶饋線本身會(huì)產(chǎn)生輻射損耗，這種附加的損耗會(huì)對(duì)天線方向性參數(shù)產(chǎn)生不利影響，天線增益也會(huì)隨之降低。因此，通常要求微帶線的線寬w 盡可能的窄，即w ，是電磁波的工作波長。除此之外，天線的特性阻抗Z c 要高或者介質(zhì)基片的厚度h 要小，介電常數(shù)r 要盡可能的大。恰當(dāng)選擇饋電點(diǎn)的位置可以實(shí)現(xiàn)天線的輸入阻抗和饋線特性阻抗的匹配，如果將饋電點(diǎn)的位置沿著矩形貼片的兩條邊移動(dòng)時(shí)，陣列天線的諧振電阻會(huì)

7、發(fā)生變化。對(duì)于同軸饋電方式，饋源的模型可以表示為z 向電流圓柱和接地板上同軸開口處的小磁流環(huán)，如果進(jìn)行簡化處理，可以忽略磁流環(huán)的作用，并且可以利用中心位于圓柱中心軸的電流片等效電流柱。如果設(shè)計(jì)精度要求高，可以把接地板上的同軸開口作為TEM 波的激勵(lì)源，而把圓柱探針的效應(yīng)作為邊界條件處理。同軸饋電方式具有很多優(yōu)勢，首先，饋電點(diǎn)的位置可以在貼片內(nèi)的任何位置進(jìn)行選取，便于實(shí)現(xiàn)匹配。其次，接地板和同軸電纜下方，可以有效地避免電纜對(duì)天線輻射的影響。 42 陣列天線的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)分析天線陣設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：天線結(jié)構(gòu)為4×24，C波段，工作頻帶f 0±30MHz ，垂

8、直線極化，H面3 dB寬度3D ，E面3dB 寬度20D ，水平面副瓣電平20dB ，垂直面副瓣電平15dB ，天線增益G 26dB 。根據(jù)上述設(shè)計(jì)指標(biāo)，結(jié)合天線工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，我們可以采用模塊化的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)4×24結(jié)構(gòu)的大型微帶陣列天線。如果采用并聯(lián)饋電形式的微帶陣列天線，則由12個(gè)2×4結(jié)構(gòu)的小型微帶天線子陣可以組成4×24結(jié)構(gòu)的大型微帶陣列。在水平方向上可以安排6個(gè)微帶子陣，在垂直方向上可以安排2個(gè)微帶子陣，則饋電網(wǎng)絡(luò)采用2×6的同軸饋電結(jié)構(gòu)，饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分布如圖1 所示。圖1 RCL 饋電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖2.2 2×4微帶子陣天

9、線的設(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，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80100之間。貼片單元的結(jié)構(gòu)采用插槽結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，貼片的長度L 、寬度W 由阻抗匹配和單元天線的諧振頻率f 0決定，諧振頻率f 0和諧振阻抗的改變可以通過調(diào)節(jié)插入寬度s 和插入深度N 來實(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

10、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)L 1來實(shí)現(xiàn)。仿真二元子陣確定dH 使兩單元保持同相，調(diào)節(jié)w 1達(dá)到匹配。通過四元線陣的仿真調(diào)節(jié)T 型分支的L 2、w 2使頻率為f 0時(shí)反射最小，兩個(gè)四元線陣之間按電流幅比為0.71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10.7設(shè)計(jì)，與上子陣的加權(quán)段構(gòu)成鏡像關(guān)系。 o o第5期 基于HFSS 的4×24微帶陣列天線的研究與設(shè)計(jì) ·11· 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

11、上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(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)場方向圖剖面、遠(yuǎn)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(jì)算：（1）基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場輻射問題；（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

12、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)行微波無源器件及電路的設(shè)計(jì)大體經(jīng)過物理建模、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)過詳細(xì)的理論分析過程，利用微帶天線工程設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式來確定相關(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，通過數(shù)據(jù)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

13、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。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(jì)電場強(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 面方向圖來看，H面副瓣為-20.2 dB，3 dB寬度為 ，滿足工程上的設(shè)計(jì)要求。 圖3 2×4微帶子陣列物理模型 圖4 天線全向電場方向圖·12· 齊 齊 哈 爾 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 2010年 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

14、本文利用電磁場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。參考文獻(xiàn)1 宋小弟，馮恩信，傅君眉. 一種新型小型圓極化GPS微帶天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J，西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36(

15、6：1108-1112.2 梁仙靈，鐘順時(shí)，汪偉. 高隔離度雙極化微帶天線直線陣的設(shè)計(jì)J. 電子學(xué)報(bào)，2005，33（3）：553-555.3 王亞洲，蘇東林，肖永軒，等. 寬頻帶正方形微帶貼片天線的設(shè)計(jì)J. 微波學(xué)報(bào)，2006，22（1）：29-31.4 宋順斕，鄭會(huì)利. 一種新型的全向?qū)掝l帶微帶陣列天線J. 空間電子技術(shù)，2007，1（4）：60-66.The research and design of 4×24 microstrip array antenna by HFSSHUI Peng-fei，XIA Ying，ZHOU Xi-quan，TAO Bai-rui，MIAO

16、 Feng-juan(School of Communication and Electronic Engineering, Qiqihar University,Heilongjiang Qiqihar 161006，ChinaAbstract: Microstrip array antenna fed by a microstrip feed line and coaxial feed in two ways, this paper HFSS software array antenna has been studied, analyzed the way two fed the antenna transmission loss and pattern of using the modular design method to achieve a coaxial feed structure based on multi-rectangular microstrip antenna array. In the HFS