基于HFSS的Ka波段微帶陣列天線仿真

1、 1前言Ka波段微帶天線是指工作頻段在26-40GHZ,波長范圍在l.ll-0.75cm的微帶天線。鑒于Ka頻段具有可用帶寬寬、干擾少、設備體積小等優(yōu)點，Ka波段天線在空間方面主要應用于衛(wèi)星通信。在全球信息基礎設施中，Ka波段衛(wèi)星發(fā)揮著至關重要的作用，能夠向最終用戶提供各種經濟實惠的實時網絡服務,例如高速互聯(lián)網接入、遠程教育、遠程診斷以及電視娛樂等。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、設計靈活、成本低廉且易和MIC、MMIC等電路相集成等優(yōu)點應用于各種通信系統(tǒng)，并且已廣泛應用于軍事領域，例如雷達、導彈制導、引信等方面l-3。目前，Ka波段微帶天線在空

2、間方面主要應用于衛(wèi)星通信、飛機上的通信及警報設備、飛船與地面的通信等。另外，在宇宙空間方面主要應用于資源探測。在地面應用主要針對地面通信或對空中飛行物的定位、定向等。例如地面無線通信、飛機測高、機場管理、環(huán)境監(jiān)測、汽車防撞雷達醫(yī)療設備、衛(wèi)星電視接收等。本文對Ka波段微帶天線進行仿真設計，對微帶天線單元、T型接頭的微帶天線陣列天線進行了分析，仿真了天線S參數和方向圖等特性。2微帶陣列天線仿真設計2.l天線單元設計利用HFSS仿真設計微帶天線單元。選取天線結構如圖1所示。使用RogersRT/duriod5880介電常數r二2.2，厚度h=0.245的介質基片。根據參考文獻1,考慮f35.125G

3、Hz,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94Q，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18Dec2009AnsoftCorporation10219XYRIotlHFSSDesign2finitegroundnnnY1QdBS(LumpPxt1,LuSetup!:Sweep155-10.00-/E/J-20.QO-/j-30.00-/V40.Q0_33?0034.boF35.eqboGH36.DO37.圖2微帶天線單元S11仿真結果微帶貼片單元S11仿真結果如圖2所示，從圖中可以看出當

4、前的微帶天線單元在34.2GHz35.6GHz范圍內滿足S11-10dB，帶寬為1.4GHz；諧振頻率為34.88GHz。2.2饋電網絡設計饋電網絡設計的主要任務是保證各陣元所要求的激勵振幅和相位，比便形成所要求的方向圖，主要要求是阻抗匹配、損耗小、頻帶寬和結構簡單。天線陣中各單元同幅同相，為達到這一要求，必須使到各單元的饋線等長。但饋線等長時，波速指向與頻率無關，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。本設計中采用由T型結構組成的等幅同相的饋電網絡4-5。T型接頭首先是T型接頭的設計。根據傳輸線理論，將并接的兩段特性阻抗均為召的饋線通過阻抗

5、變換器匹配到特性阻抗為z2的饋線，中間的阻抗變換器長度為工作波長的四分之一，阻抗變換器的特性阻抗Z=pZxZ/2。為了補償T型接頭的不連續(xù)參量，可以在主線上（分支線的對面）開個三角槽。因為微帶天線單元饋線寬度為0.238mm,特性阻抗為940，為了設計簡便，令Z=Z2。阻抗變換器的寬度為0.466mm,特性阻抗為700，長度為1.54mm，三角槽的底角9二25。，腰的長度為0.507mm。此外考慮到微帶貼片單元饋電點在非輻射邊的邊緣，當組成陣列時，如果直接用簡單組合的型接頭饋電網絡為每個陣元饋電，將會導致型接頭饋電網絡的饋電點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

6、證陣元的間距，減少饋電網絡與陣元之間的耦合，將饋電網絡稍作改進6。饋電網絡利用上述T型接頭，組成2X2陣列的等幅同相饋電網絡，饋電網絡結構及仿真結果如圖3所示。其中對于2X2陣列饋電網絡，工作頻率為35GHz時，對于端口1,反射系數S11為-20dB，比單個T型接頭增大了5dB,說明阻抗匹配情況有待進一步改善。傳輸系數S21、S31、S41、S51分別為-6.2dB,-6.3dB,-6.5dB,-6.5dB。對于更大的陣列，如4X4陣列由4個2X2陣列組成，以次類推。(a)結構圖18Dec2009AnsoftCorporation15:15:19XYPIotlHFSSDesign7finite

7、groundcut2_cut7點nnY1QdBS(LumpP(xt4.lSetup1:Sweep1Y1IdBS(LumpPort4.lSetup1:Sweep1-10.00-Y1dBS(LumpPort4.lSetup1:Sweep1Y1-dB(SLumpPort4.lSetup1:Sweep1L-15.00Y1VdBS(LumpPort4.lSetup1:Sweep1-20.00-_-.-25.003313034.boFr35.eqboGhZ36.bo37.b)S參數特性圖32X2陣列饋電網絡及仿真結果2.3天線陣列設計在Ka波段微帶天線設計中，運用Ka波段的微帶矩形貼片單元構成2X2、4X

8、4、16X16等面陣形式，分析其阻抗特性及方向圖中的增益、波束寬度、旁瓣等是否滿足設計要求。其中陣元間距取約0.8(在仿真中單元間距取7mm)。2.3.12X2陣列仿真仿真中的陣列結構如圖4所示。天線使用微帶線饋電，饋電端口的S11仿真結果如圖5所示。結果表明S11具有與單個天線單元相近的諧振頻率。但是由于饋電網絡匹配的影響，該陣列的反射比單個天線單元大。15:32:18dBSLunipPMt4.LSetup1:Sweep1AnsoftCorporationXYPIotlHFSSDesign62_2finintegroundnnnFreqGHz圖52X2陣列S11對于方向特性，2X2陣列方向圖

9、仿真結果如圖6所示。由于饋電網絡關于XZ面具有不對稱性，再考慮單元本身不對稱性，導致YZ面的旁瓣增益明顯高于XZ面。a)XZ面方向圖b)YZ面方向圖圖62X2陣列方向圖2.3.24X4陣列天線方向圖仿真仿真中的陣列結構如圖7所示。天線使用微帶線饋電，饋電端口的S11仿真結果如圖8所示。結果表明S11具有與單個天線單元相近的諧振頻率。對于方向特性，4X4陣列方向圖仿真結果如圖9所示。饋點、圖74X4陣列結構圖圖84X4陣列S11rb(dB(S(LumpPori4x4領金:TablTb(dB(S(LumpPori4x4實際：TableAnsoftCorporationXYPlotlHFSSDesi

10、gn2a）XZ面方向圖b）YZ面方向圖圖94X4陣列方向圖2.3.316X16陣列天線方向圖仿真考慮16X16陣列（尺寸約為120mmX120mm）,直接進行仿真需要較多的資源。作為解決方案，本設計利用4X4陣列作為子陣，根據方向圖乘法得16X16陣列方向圖如圖10所示。18Dec200923:15:49dB(GainTotal)Setupl:LastAde1623:16:28dB(GainTotal)Setupl:LastAde50.00-【qp二一4S01U一Eomp25.00-0.00-25.00-50.00.AnsoftCorporationXYPIot2HFSSDesign64_4f

11、ininteground【qp二Jsoluwomp40.0020.000.0020.00-40.00-60.00AnsoftCorporationXYPIot3HFSSDesign64_4finintegrounda）XZ面方向圖（b）YZ面方向圖圖1016X16陣列方向圖3結論本文主要利用HFSS對Ka波段微帶天線單元、T型接頭及幾種面陣S11進行了仿真,得到比較理想的仿真結果。在仿真的過程中，我們發(fā)現(xiàn)HFSS是一種非常實用的電磁仿真軟件，繪制天線結構時極其方便，仿真的結構很接近理想化。最突出的是它所具有的參數化分析功能，極大地方便了軟件的使用者。參考文獻田曉英.Ka波段微帶天線設計D.學位論文.南京理工大學.2008.藍橋龍.毫米波微帶天線研究D.學位論文.電子科技大學.2006.F.Lalezari，C.D.Massey.MM-WaveMicro