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基于HFSS的微带阵列天线的设计

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【摘要】:微带阵列天线的馈电方式有微带线馈电和同轴馈电两种方式,本文利用HFSS软件对微带阵列天线进行了研究,分析了两种馈电方式的传输损耗及其对天线方向图的影响,利用模块化的设计方法实现了一种基于同轴线馈电结构的多元矩形微带阵列天线。在HFSS仿真设计环境里对天线进行了物理建模,该微带阵列天线的方向图特性良好,工程上实现比较方便。

随着无线电技术的发展,微带天线在许多领域得到了越来越广泛的应用,主要应用场合包括:卫星通信、多普勒雷达及其它制式雷达、导弹遥测系统、复杂天线中的馈电单元等[1]。微带天线通常采用天线阵列的形式,由馈电网络控制对天线子阵的激励幅度和相位,以获得高增益、强方向性等特点。

微带阵列天线的馈电方式主要有微带线馈电和同轴线馈电方式两种。利用微带线馈电时,馈线与微带贴片是共面的,因此可以方便地光刻,但缺点是损耗较大,在高效率的天馈系统里的应用受到较大限制[2]。本文首先对微带馈电网络产生的损耗进行了详细分析,利用HFSS 软件设计了2×4 结构的微带子阵,采用同轴馈电的方式,利用模块化设计方法和方向图叠加原理最终实现了4×24 矩形微带阵列天线,仿真设计结果表明,该大型矩形微带阵列天线的各项指标参数良好,设计思想得到了很好的验证。

1 微带阵列及馈电网络损耗分析

1.1 微带阵列理论

微带天线单元的增益较小,一般单个贴片单元的辐射增益只有6~8 dB,为了实现远距离传输和获得更大的增益,尤其是对天线的方向性要求比较苛刻的场合,常采用由微带辐射单元组成的微带阵列天线,如果对增益要求较高,可采用大型微带阵列天线结构[3]。

首先分析平面微带阵列天线的激励电流与电场分布情况,无论是线天线还是面天线,其辐射源都是高频电流源,天线系统将高频电流源的能量转换成电磁波的形式发射出去,讨论电流源的辐射场是分析天线的基础。假设由若干相同的微带天线元组成的平面阵结构,建立三维坐标系分析阵列天线的场量分布情况。以阵列的中心为坐标原点,天线在x 轴方向和y 轴方向的单元编号分别用m 和n表示。以原点天线单元为相位参考点,为了简化分析,假设阵列中各单元间互耦影响可以忽略不计,各单元激励电流为

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式中, f (θϕ) 为阵元的方向性函数,S (θϕ)  为平面阵的阵方向性函数。平面阵因子是两个线阵因子的乘积,可以利用线阵方向性分析的结论来分析平面阵列的方向性。

1.2 馈电网络及损耗分析

天线只有承载高频电流才能有电磁波辐射,馈线指将高频交流电能从电路的某一段传送到另一段所用的设备,对天线的馈电包括对单元天线的馈电和阵列天线的馈电两种形式。当利用传输线对阵列结构进行激励时,可以采用微带线馈电和同轴线馈电两种方案。

当采用微带线对阵列天线进行馈电时,微带线和金属辐射贴片在同一平面内,在工程加工时带来许多方便,制作简单且成本低廉。但微带馈线本身会产生辐射损耗,这种附加的损耗会对天线方向性参数产生不利影响,天线增益也会随之降低。因此,通常要求微带线的线宽w尽可能的窄,即w << λ ,λ 是电磁波的工作波长。除此之外,天线的特性阻抗Zc 要高或者介质基片的厚度h 要小,介电常数εr 要尽可能的大。恰当选择馈电点的位置可以实现天线的输入阻抗和馈线特性阻抗的匹配,如果将馈电点的位置沿着矩形贴片的两条边移动时,阵列天线的谐振电阻会发生变化[4]。

对于同轴馈电方式,馈源的模型可以表示为z 向电流圆柱和接地板上同轴开口处的小磁流环,如果进行简化处理,可以忽略磁流环的作用,并且可以利用中心位于圆柱中心轴的电流片等效电流柱。如果设计精度要求高,可以把接地板上的同轴开口作为TEM 波的激励源,而把圆柱探针的效应作为边界条件处理。同轴馈电方式具有很多优势,首先,馈电点的位置可以在贴片内的任何位置进行选取,便于实现匹配。其次,接地板和同轴电缆下方,可以有效地避免电缆对天线辐射的影响。

2 阵列天线的结构分析与设计

2.1 设计指标及结构分析

天线阵设计指标如下:天线结构为4×24,C 波段,工作频带 fo ± 30MHz,垂直线极化,H 面3 dB 宽度≥ 3°,E 面3dB宽度≥20° ,水平面副瓣电平≤ −20 dB,垂直面副瓣电平≤ −15 dB,天线增益G ≥ 26dB。

根据上述设计指标,结合天线工程领域的设计计算公式,我们可以采用模块化的设计方法实现4×24 结构的大型微带阵列天线。如果采用并联馈电形式的微带阵列天线,则由12 个2×4 结构的小型微带天线子阵可以组成4×24 结构的大型微带阵列。在水平方向上可以安排6个微带子阵,在垂直方向上可以安排2 个微带子阵,则馈电网络采用2×6 的同轴馈电结构,馈电网络的结构分布如图1 所示。

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图1 RCL 馈电网络系统框图

2.2  2×4微带子阵天线的设计

在设计微带阵列天线时,首先应该决定天线单元的结构形式,采用贴片式微带天线单元。贴片式微带天线单元按照工作原理可以分为谐振式和行波式。谐振式(也称驻波式)贴片微带天线作为阵元具有诸多优势,单元本身具有一定的方向性,效率较高,一般在 90%以上,半功率波束宽度大致在80°~100° 之间。贴片单元的结构采用插槽结构实现,贴片的长度L、宽度W 由阻抗匹配和单元天线的谐振频率f0决定,谐振频率f0和谐振阻抗的改变可以通过调节插入宽度s和插入深度N来实现。

对于2×4 结构的串并馈驻波子阵天线,可以采用上下排列方式,贴片的开槽和子阵天线的结构分布如图2所示。各贴片单元尺寸相同,馈电点位置为贴片窄边的中心。为了将馈线拐角对单元的影响降到最低, 可以采用调节 L1 来实现。仿真二元子阵确定dH 使两单元保持同相,调节w1 达到匹配。通过四元线阵的仿真调节 T 型分支的 L2、w2 使频率为f0 时反射最小,两个四元线阵之间按电流幅比为0.7:1 进行加权段设计。下子阵与上子阵单元形式相同,但下子阵两个四元线阵之间对应的加权段按1:0.7 设计,与上子阵的加权段构成镜像关系。

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