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11.1 HFSS陣列天線仿真設(shè)計概述
本章設(shè)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(dǎo)。陣元沿著 x、y 軸方向規(guī)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(shè)置天線的掃描角在theta = 30 °的方向上。WR90 型號矩形波導(dǎo)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(dǎo)天線陣列的示意圖如圖 11.1 所示。
圖 11.1 平面 WR90 矩形波導(dǎo)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(jié)構(gòu)問題,在 HFSS 中建模時不需要創(chuàng)建整個天線陣的模型,只需要創(chuàng)建單個陣元模型,然后結(jié)合主從邊界條件和 Floquet 激勵端口設(shè)置便可以構(gòu)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(dǎo),在 xOy 平面上規(guī)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(dǎo),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(dǎo)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(dǎo)模型的底面設(shè)置為波端口激勵;因為在 HFSS 中與背景相接觸的表面自動設(shè)置為理想導(dǎo)體表面,所以陣元波導(dǎo)模型的四壁不需要分配邊界條件,采用默認分配的理想導(dǎo)體邊界條件即可。
自由空間模型的上表面需要設(shè)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(shè)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(shè)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(cè)表面為一組主從邊界條件,左右兩側(cè)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(shè)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(shè)為theta = 30 °。
11.1.2 HFSS 設(shè)計環(huán)境概述
>> 求解類型:模式驅(qū)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(shè)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
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