11.1 HFSS阵列天线仿真设计概述

    本章设计一个由 25*25 个阵元组成的平面阵列天线，阵列天线的工作频率为9.25GHz， 阵列天线的阵元为 WR90 型号的矩形波导。阵元沿着 x、y 轴方向规则排列，在 x、y 轴方向上阵元间距分别为0.5 英寸和1 英寸；阵元之间的相位差通过阵列天线的扫描角来确定，设置天线的扫描角在theta = 30 °的方向上。WR90 型号矩形波导的截面尺寸为 10.16mm*22.86mm， 即 0.4 英寸*0.9 英寸，工作频率在 8.20～12.5GHz。平面WR90 矩形波导天线阵列的示意图如图 11.1 所示。

图 11.1 平面 WR90 矩形波导天线阵列示意图

    11.1.1 阵元模型

   对于阵列天线一类的平面周期性结构问题，在 HFSS 中建模时不需要创建整个天线阵的模型，只需要创建单个阵元模型，然后结合主从边界条件和 Floquet 激励端口设置便可以构造并计算出由任意多个阵元组成的天线阵的性能。

    阵列天线的阵元模型由阵元和自由空间两部分组成。本例中的阵元是一个横截面尺寸为0.4 英寸*0.9 英寸的 WR90 矩形波导，在 xOy 平面上规则排列，沿 x 轴方向排列的阵元间距为 0.5 英寸，沿 y 轴方向排列的阵元间距为 1.0 英寸。因此，阵元模型可以由两个长方体模型组成， 一个用于模拟截面尺寸为 0.4 英寸*0.9 英寸的矩形波导，一个用于模拟截面尺寸为 0.5 英寸*1.0 英寸的自由空间，模拟阵元波导和自由空间的长方体的高度都取 1 英寸，如图 11.2 所示。

图 11.2 阵元模型

   阵元波导模型的底面设置为波端口激励；因为在 HFSS 中与背景相接触的表面自动设置为理想导体表面，所以阵元波导模型的四壁不需要分配边界条件，采用默认分配的理想导体边界条件即可。

    自由空间模型的上表面需要设置为 Floquet 端口激励，用于模拟周期性表面的辐射问题； Floquet 端口的 A、B 坐标轴方向必须和阵元排列方向一致，扫描角或相位延迟需要和主从边界条件设置的扫描角或相位延迟保持一致。自由空间模型的四壁需要设置为主从边界条件；4 个表面共有两组主从边界条件，前后两侧表面为一组主从边界条件，左右两侧表面为一组主从边界条件；同一组主从边界表面，其 U、V 坐标轴方向必须完全一致，扫描角或相位延迟需要和 Floquet 激励端口设置的扫描角或相位延迟保持一致。本例中，使用扫描角来定义阵 元之间的相位误差，扫描角方向设为theta = 30 °。 

    11.1.2 HFSS 设计环境概述

    >> 求解类型：模式驱动求解

    >> 建模操作  模型原型：长方体

    >> 边界条件：主从边界 

    >> 端口激励：波端口激励、Floquet 端口激励

    >> 求解设置：9.25GHz 单频求解

    >> 后处理：天线阵元和天线阵列的二维场强方向图、三维场强方向图