11.1 HFSS陣列天線仿真設計概述

    本章設計一個由 25*25 個陣元組成的平面陣列天線，陣列天線的工作頻率為9.25GHz， 陣列天線的陣元為 WR90 型號的矩形波導。陣元沿著 x、y 軸方向規則排列，在 x、y 軸方向上陣元間距分別為0.5 英寸和1 英寸；陣元之間的相位差通過陣列天線的掃描角來確定，設置天線的掃描角在theta = 30 °的方向上。WR90 型號矩形波導的截面尺寸為 10.16mm*22.86mm， 即 0.4 英寸*0.9 英寸，工作頻率在 8.20～12.5GHz。平面WR90 矩形波導天線陣列的示意圖如圖 11.1 所示。

圖 11.1 平面 WR90 矩形波導天線陣列示意圖

    11.1.1 陣元模型

   對于陣列天線一類的平面周期性結構問題，在 HFSS 中建模時不需要創建整個天線陣的模型，只需要創建單個陣元模型，然后結合主從邊界條件和 Floquet 激勵端口設置便可以構造并計算出由任意多個陣元組成的天線陣的性能。

    陣列天線的陣元模型由陣元和自由空間兩部分組成。本例中的陣元是一個橫截面尺寸為0.4 英寸*0.9 英寸的 WR90 矩形波導，在 xOy 平面上規則排列，沿 x 軸方向排列的陣元間距為 0.5 英寸，沿 y 軸方向排列的陣元間距為 1.0 英寸。因此，陣元模型可以由兩個長方體模型組成， 一個用于模擬截面尺寸為 0.4 英寸*0.9 英寸的矩形波導，一個用于模擬截面尺寸為 0.5 英寸*1.0 英寸的自由空間，模擬陣元波導和自由空間的長方體的高度都取 1 英寸，如圖 11.2 所示。

圖 11.2 陣元模型

   陣元波導模型的底面設置為波端口激勵；因為在 HFSS 中與背景相接觸的表面自動設置為理想導體表面，所以陣元波導模型的四壁不需要分配邊界條件，采用默認分配的理想導體邊界條件即可。

    自由空間模型的上表面需要設置為 Floquet 端口激勵，用于模擬周期性表面的輻射問題； Floquet 端口的 A、B 坐標軸方向必須和陣元排列方向一致，掃描角或相位延遲需要和主從邊界條件設置的掃描角或相位延遲保持一致。自由空間模型的四壁需要設置為主從邊界條件；4 個表面共有兩組主從邊界條件，前后兩側表面為一組主從邊界條件，左右兩側表面為一組主從邊界條件；同一組主從邊界表面，其 U、V 坐標軸方向必須完全一致，掃描角或相位延遲需要和 Floquet 激勵端口設置的掃描角或相位延遲保持一致。本例中，使用掃描角來定義陣 元之間的相位誤差，掃描角方向設為theta = 30 °。 

    11.1.2 HFSS 設計環境概述

    >> 求解類型：模式驅動求解

    >> 建模操作  模型原型：長方體

    >> 邊界條件：主從邊界 

    >> 端口激勵：波端口激勵、Floquet 端口激勵

    >> 求解設置：9.25GHz 單頻求解

    >> 后處理：天線陣元和天線陣列的二維場強方向圖、三維場強方向圖