基于HFSS的4×24 微帶陣列天線的研究與設(shè)計(jì)

【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。

    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(cè)系統(tǒng)、復(fù)雜天線中的饋電單元等[1]。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[2]。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。

    1 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6～8 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)增益要求較高，可采用大型微帶陣列天線結(jié)構(gòu)[3]。

    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

式中， f (θ，ϕ) 為陣元的方向性函數(shù)，S (θ，ϕ)  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 << λ ，λ 是電磁波的工作波長。除此之外，天線的特性阻抗Zc 要高或者介質(zhì)基片的厚度h 要小，介電常數(shù)εr 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)發(fā)生變化[4]。

    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(shì)，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。

    2 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 fo ± 30MHz，垂直線極化，H 面3 dB 寬度≥ 3°，E 面3dB寬度≥20° ，水平面副瓣電平≤ −20 dB，垂直面副瓣電平≤ −15 dB，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

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