基于HFSS的4×24 微带阵列天线的研究与设计

    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。

    3  HFSS 仿真设计结果及分析

    3.1 HFSS仿真设计平台

    HFSS 是Ansoft 公司推出的三维电磁仿真软件，是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。HFSS 软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D 图和3dB 带宽。绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig 第三定义场分量和轴比。

    使用 HFSS 可以计算：（1）基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；（2）端口特征阻抗和传输常数；（3）S 参数和相应端口阻抗的归一化S 参数；（4）结构的本征模或谐振解。而且，由Ansoft HFSS 和Ansoft Designer 构成的Ansoft 高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。

图2 插槽型微带贴片与子阵天线结构图

    3.2  阵列天线的整体仿真

    利用HFSS 进行微波无源器件及电路的设计大体经过物理建模、给模型参数赋予初值、运行仿真、参数调整优化等步骤。在进行计算机建模之前，需要经过详细的理论分析过程，利用微带天线工程设计的相关经验公式来确定相关尺寸数据，理论分析大体经历分析数据、全波仿真分析优化贴片尺寸、馈电网络设计等步骤。利用 HFSS 软件对由 RCL 馈电网络的2×4 微带子阵进行了仿真，建立的三维物理模型如图3 所示，通过数据后处理就可以得出全向电场方向图和全向增益方向图，分别如图4 和图5 所示。按照阵列天线方向图叠加原理和模块化的设计方法，可以得出4×24 结构微带阵列天线的整体E 面和H 面方向图，如图6 所示。

图3 2×4微带子阵列物理模型

图4 天线全向电场方向图

    通过2×4 微带子阵的全向电场方向图和全向增益方向图可知，天线最大估计电场强度为5.5 V，天线最大估计增益为4 dB。从微带阵列天线的整体E 面和H 面方向图来看，H 面副瓣为-20.2 dB，3dB 宽度为3.7° ；E 面副瓣为-16.1dB，3 dB 宽度为20.7° ，满足工程上的设计要求。

图5 天线全向增益方向图

图6  整体结构E面和H 面方向图

    4 结束语

    本文利用电磁场EDA设计软件HFSS对微带阵列天线进行了研究和设计，分析了微带线馈电方式和同轴线馈电方式馈线传输损耗及其对天线方向图的影响，设计了一种基于同轴线馈电结构的多元矩形微带阵列天线。首先在HFSS程序设计环境里构建了2×4微带天线子阵的物理模型，得出了全向增益方向图等特性曲线。利用模块化的设计思想和方向图叠加原理构建了4×24结构的大型微带阵列天线，仿真结果表明，该阵列天线的各项参数指标满足工程设计要求，设计思想得到了很好的验证。

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