HFSS仿真設(shè)計(jì)Ka波段微帶陣列天線

    【摘 要】微帶天線由于其重量輕、剖面小、易共形、設(shè)計(jì)靈活、成本低且易和等電路相集成等優(yōu)點(diǎn)得到 了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，比如導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等方面。毫米波波長(zhǎng)介于微波和紅外之間，因而其特性也在一定程度上介于兩者之間，如適中的分辨率及良好的煙塵穿透性，因此在某些情況下可以完成微波和紅外均難以完成的任務(wù)。本文主要對(duì)Ka 波段微帶天線單元、T 接頭和拐角、2×2 面陣和 4×4 面陣進(jìn)行仿真，主要工作有：

    （1）設(shè)計(jì)天線單元，對(duì)單元S11 參數(shù)進(jìn)行仿真；

    （2）設(shè)計(jì)T 型接頭，仿真 S11、S21 等參數(shù)；

    （3）仿真2×2 面陣和4×4 面陣的S11參數(shù)、方向圖等特性。此外，利用4×4面陣的方向圖結(jié)果和HFSS的Antenna Array Setup 分析 16×16 的面陣方向圖。

    1 前言

    Ka 波段微帶天線是指工作頻段在26-40GHz，波長(zhǎng)范圍在1.11-0.75cm 的微帶天線。鑒于Ka 頻段具有可用帶寬寬、干擾少、設(shè)備體積小等優(yōu)點(diǎn)，Ka 波段天線在空間方面主要應(yīng) 用于衛(wèi)星通信。在全球信息基礎(chǔ)設(shè)施中，Ka 波段衛(wèi)星發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，能夠向最終用戶提供各種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，例如高速互聯(lián)網(wǎng)接入、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程診斷以及 電視娛樂(lè)等。因此，Ka 波段天線具有不可替代的重要作用。而Ka 波段微帶天線以其重量輕、剖面小、設(shè)計(jì)靈活、成本低廉且易和 MIC、MMIC 等電路相集成等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于各種通 信系統(tǒng)，并且已廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，例如雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、引信等方面 [1-3] 。

    目前，Ka 波段微帶天線在空間方面主要應(yīng)用于衛(wèi)星通信飛機(jī)上的通信及警報(bào)設(shè)備、飛船與地面的通信等。另外，在宇宙空間方面主要應(yīng)用于資源探測(cè)。在地面應(yīng)用主要針對(duì) 地面通信或?qū)�空中飛行物的定位、定向等。例如地面無(wú)線通信、飛機(jī)測(cè)高、機(jī)場(chǎng)管理、環(huán) 境監(jiān)測(cè)、汽車防撞雷達(dá)醫(yī)療設(shè)備、衛(wèi)星電視接收等。

    本文對(duì) Ka 波段微帶天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，對(duì)微帶天線單元、T 型接頭的微帶天線陣列天 線進(jìn)行了分析，仿真了天線 S 參數(shù)和方向圖等特性。

    2 微帶陣列天線仿真設(shè)計(jì)

    2.1 天線單元設(shè)計(jì)

    利用HFSS 仿真設(shè)計(jì)微帶天線單元。選取天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。使用Rogers RT/duriod 5880 介電常數(shù)εr = 2.2，厚度 h=0.245 的介質(zhì)基片。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，考慮f0=35.125GHz，且取得低極化電平的限制為W/L=1.5，故先選取 W=3.8mm、L=2.6mm。微帶饋線特性阻抗選擇為94Ω ，饋線寬度為0.238mm。饋電位置選擇在微帶貼片的邊緣位置饋電。

圖1 微帶天線單元

圖2  微帶天線單元S11仿真結(jié)果

    微帶貼片單元S11仿真結(jié)果如圖2 所示，從圖中可以看出當(dāng)前的微帶天線單元在34.2GHz～35.6GHz 范圍內(nèi)滿足S11<-10dB，帶寬為1.4GHz；諧振頻率為34.88GHz。

    2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

    饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是保證各陣元所要求的激勵(lì)振幅和相位，比便形成所要求的方向圖，主要要求是阻抗匹配、損耗小、頻帶寬和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。天線陣中各單元同幅同相，為達(dá)到這一要求，必須使到各單元的饋線等長(zhǎng)。但饋線等長(zhǎng)時(shí)，波速指向與頻率無(wú)關(guān)，所以頻帶寬度主要取決于阻抗匹配的頻帶。為此，必須使饋線與貼片單元和饋線各接頭做到良好的匹配。本設(shè)計(jì)中采用由T 型結(jié)構(gòu)組成的等幅同相的饋電網(wǎng)絡(luò)[4-5]。

    2.2.1 T 型接頭

    首先是T 型接頭的設(shè)計(jì)。根據(jù)傳輸線理論，將并接的兩段特性阻抗均為Z1的饋線通過(guò)阻抗變換器匹配到特性阻抗為Z2的饋線，中間的阻抗變換器長(zhǎng)度為工作波長(zhǎng)的四分之一， 阻抗變換器的特性阻抗

    為了補(bǔ)償 T 型接頭的不連續(xù)參量，可以在主線上（分支線的對(duì)面）開(kāi)個(gè)三角槽。因?yàn)槲�帶天線單元饋線寬度為0.238mm，特性阻抗為94Ω ，為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，令Z1=Z2。阻抗變換器的寬度為0.466mm，特性阻抗為70Ω ，長(zhǎng)度為1.54mm， 三角槽的底角θ = 25°，腰的長(zhǎng)度為0.507mm。此外考慮到微帶貼片單元饋電點(diǎn)在非輻射邊 的邊緣，當(dāng)組成陣列時(shí)，如果直接用簡(jiǎn)單組合的型接頭饋電網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)陣元饋電，將會(huì)導(dǎo)致型接頭饋電網(wǎng)絡(luò)的饋電點(diǎn)與陣元距離太近甚至重合，而影響微帶貼片陣元的輻射方向圖。 因此，為了保證陣元的間距，減少饋電網(wǎng)絡(luò)與陣元之間的耦合，將饋電網(wǎng)絡(luò)稍作改進(jìn)[6]。

    2.2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)

    利用上述T 型接頭，組成2×2 陣列的等幅同相饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果如圖3所示。其中對(duì)于2×2 陣列饋電網(wǎng)絡(luò)，工作頻率為35GHz 時(shí)，對(duì)于端口1，反射系數(shù)S11 為-20dB，比單個(gè)T 型接頭增大了5dB，說(shuō)明阻抗匹配情況有待進(jìn)一步改善。傳輸系數(shù) S21、S31、S41、S51 分別為-6.2dB、-6.3dB、-6.5dB、-6.5dB。對(duì)于更大的陣列，如 4×4 陣列由4 個(gè)2×2 陣列組成，以次類推。

圖3（a）結(jié)構(gòu)圖     （b）S參數(shù)特性 

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