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,對天線的饋電包括對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,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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