基于Ansoft HFSS 的圓極化微帶共形陣天線設(shè)計(jì)

   【摘要】本文提出了一種圓極化微帶共形陣天線的設(shè)計(jì)方法。利用先進(jìn)的三維電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS v12 建立了單元天線以及共形陣天線完整的仿真模型，并進(jìn)行了仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到了滿足技術(shù)指標(biāo)要求的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，加工了共形陣天線的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)其主要電性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)。測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，表明所設(shè)計(jì)的微帶共形陣天線圓極化性能良好，且具有H 面全向輻射特性，進(jìn)而可用于工程實(shí)踐中。通過(guò)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程驗(yàn)證了本文中所提出設(shè)計(jì)方法的合理性，同時(shí)也體現(xiàn)了Ansoft HFSS v12 作為高頻電磁場(chǎng)仿真工具的有效性和實(shí)用性。

    1 引言

    所謂共形陣天線[1]，是指附著于載體表面且與載體貼合的陣列天線，即需要將陣列天線共形安裝在一個(gè)固定形狀的表面上，從而形成非平面的共形天線陣。在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中，共形陣天線由于能夠與飛機(jī)、導(dǎo)彈以及衛(wèi)星等高速運(yùn)行的載體平臺(tái)表面相共形，且并不破壞載體的外形結(jié)構(gòu)及空氣動(dòng)力學(xué)等特性，成為天線領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。微帶天線具有平面結(jié)構(gòu)，剖面低、易共形，且組陣時(shí)饋電網(wǎng)絡(luò)可與輻射單元一體設(shè)計(jì)[2]。因此，在共形陣天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域微帶天線具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，微帶共形陣天線也大量的應(yīng)用于各種載體平臺(tái)上[3]。

    相比于平面陣天線，共形陣天線的分析與綜合更為復(fù)雜。一般地，對(duì)共形陣天線的綜合并不僅僅是對(duì)其方向圖的綜合，而且在設(shè)計(jì)的初始階段就要考慮共形陣列天線的形狀、陣列單元的形式以及其分布等問(wèn)題。另外，在設(shè)計(jì)中還要考慮共形載體以及單元間互耦效應(yīng)對(duì)陣列以及陣列單元的諧振頻率、帶寬和極化等性能的影響。因此，共形陣列天線的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，對(duì)該問(wèn)題很難有一個(gè)嚴(yán)格而精確的解決方法，通常采用數(shù)值分析方法進(jìn)行研究。目前，常用的數(shù)值分析方法主要有基于積分方程的矩量法（MOM）及其快速算法，基于微分方程的時(shí) 域有限差分法（FDTD）和有限元法（FEM）等。然而，對(duì)共形陣天線矩量法的分析，通常是采用與載體平臺(tái)共形的坐標(biāo)系中的格林函數(shù)，這種方法的確很有用，但是對(duì)于復(fù)雜的平臺(tái)分析的 難度很大。Ansoft HFSS 軟件核心算法是有限元法，不存在上述局限，因而其在分析任意形狀共形陣天線方面具有很高的可實(shí)現(xiàn)性和準(zhǔn)確性[4]。

    Ansoft HFSS v12 以前的版本中，微帶共形陣天線的建模過(guò)程比較復(fù)雜。當(dāng)共形載體形狀比較復(fù)雜或者陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)較多時(shí)，不易對(duì)共形陣天線進(jìn)行整體建模。有幸地是，在Ansoft HFSS v12 版本中增加了新的曲面共形建模方法，即 wrap sheet 建模方法。采用這種方法可以將平面的二維圖形卷曲到三維載體表面，從而使共形建模的操作更加方便。基于此，本文提出了一種圓極化微帶共形陣天線的設(shè)計(jì)方法。利用Ansoft HFSS v12 建立了單元天線以 及共形陣天線完整的仿真模型，并進(jìn)行了仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程既簡(jiǎn)便又靈活，而且省時(shí)省力。另外，加工了共形陣天線的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并對(duì)其主要電性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了本文中 所提出設(shè)計(jì)方法的合理性。

    2 圓極化微帶共形陣天線設(shè)計(jì)

    圓極化微帶共形陣天線的設(shè)計(jì)主要是從給定的天線技術(shù)指標(biāo)入手，選取合理的微帶單元天線形式并進(jìn)行仿真分析。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求的陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)（功分網(wǎng)絡(luò)），進(jìn)而進(jìn)行整陣仿真分析。在共形陣設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要用到“wrap sheet”建模方法將帶有饋電網(wǎng)絡(luò)的平面陣列整體共形于圓柱形載體平臺(tái)表面，從而對(duì)整個(gè)共形陣進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以得到滿足技術(shù)指標(biāo)要求的共形陣天線結(jié)構(gòu)參數(shù)。

    2.1 天線技術(shù)指標(biāo)

    （1）工作頻率： GPS L1 頻段，中心頻率 1.575GHz； 
    （2）電壓駐波比：VSWR ≤ 1.5 ； 
    （3）極化方式： 右旋圓極化； 
    （4）天線方向圖：H 面：全向，E 面：定向，8字形； 
    （5）輸入阻抗：50 Ω； 
    （6）外 形： 與給定的圓柱形載體表面相共形，且圓柱體直徑218mm。

    2.2 單元天線設(shè)計(jì)

    如圖1 的仿真模型所示，采用單饋點(diǎn)切角的正方形微帶貼片形式來(lái)設(shè)計(jì)所要求的單元天線。這種單元通過(guò)切角產(chǎn)生微擾元來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化，其具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)節(jié)切角尺寸，可以?xún)?yōu)化單元天線軸比性能。由于在貼片邊緣阻抗并不是純電阻，結(jié)合單枝節(jié)匹配原理， 引入了一個(gè)匹配枝節(jié)對(duì)其阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證饋電端輸入阻抗為純電阻。另外，將饋線彎折處理便于實(shí)現(xiàn)小型化。

圖1 單元天線仿真模型

圖2 單元天線結(jié)構(gòu)示意

    選用相對(duì)介電常數(shù)2.55，厚度1mm 的柔性介質(zhì)基板。單元的饋電采用和微帶輻射貼片共面的微帶饋線，以達(dá)到陣列天線與饋電網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計(jì)的目的。通過(guò)仿真優(yōu)化，最終得到了單元天線的結(jié)構(gòu)尺寸如表1 所示，且單元天線饋電端輸入阻抗為67Ω 純電阻。

表 1 單元天線結(jié)構(gòu)尺寸（單位:mm）

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