基于HFSS的H型天線的仿真設計

武警工程大學研究生管理大隊 王懷強

1 引言

目前，SAR基本上是工作在X波段及頻率更高的頻段，由于頻率過高，基本上不能穿透樹葉輻射探測[導師論文]。而UHF波段的SAR輻射的電磁波具有很強的穿透繞射能力，能穿透土壤、樹林等障礙物，探測地下目標的效果較好，是SAR研究的熱點[1]。由于UHF波段頻率較低，所對應工作波長較長，按照常規的線面天線的設計，天線的尺寸較大，無法應用到飛機平臺上。因此，研究低剖面、重量輕的天線逐漸成為國內外機載天線的研究熱點。

本文設計的H形天線是雙面印制天線，采用快速集成電路的共面波導金屬絕緣半導體工藝，將厚度極小的金屬薄片分別印刷在介質基板的正反兩面，所以兩個天線基本一樣、形狀均是“H”形。該天線剖面低，容易與飛機平臺做到共形。

2 H型天線理論

天線的尺寸和介質的介電常數對天線性能的影響很大，天線的寬度幾近于λ/10，高度接近于λ/5時，改變天線的寬度以及饋電點的位置，可以讓天線工作在一個寬頻帶內。與設計其他UHF天線一樣，在設計這種天線時，需要模擬一個金屬地板上，存在鏡像效應，才能提高增益，拓展帶寬、改善駐波比[2,3]。

2.1 H形天線的饋電結構

為了防止繞射帶來的理論設計誤差，采用一種加大外導體外徑的辦法，即在饋電點和地面之間增加一段不連續性硬同軸線，其特性阻抗不等于50歐姆。使天線與饋線達到阻抗匹配，同時屏蔽了饋線存在的輻射干擾。硬同軸線的一端與傳輸線相連，另一端的內導體與天線相連接，外導體則與饋線邊緣相近。圖1為天線的T形饋電結構。

圖1 T形饋電結構

通過延長同軸線內導體來給輻射體的兩個無限薄金屬板饋電，外導體則與天線垂直的金屬平面地板連接，為了保證對輻射體饋電的對稱性，應加裝平衡器。軟同軸線的特性阻抗為50Ω，當同軸線直接在H形天線凹槽底部饋電時，天線的特性阻抗對饋電點特別敏感，此時天線的輸入阻抗值 隨頻率變化，在工作頻帶的低頻端，天線的電抗部分較大。此時，天線的駐波值起伏較大，不能滿足設計要求。

H形天線的底部并不接地，而是與金屬地板間留有一定的間隙，此間隙可等效為一并聯電容，它將影響H形輻射體在中部饋電點的輸入阻抗。在理想的情況下，天線兩端的電流應為零。實驗結果表明位于天線底端的電流不為零，原因是底部與地面存在分布電容。通過調整天線與地面之間的距離變化可改變天線底端分布電容的影響。

2.2 繞射場的影響

外導體接地后，內導體有一段長度被孤立延伸出來，與靠近饋電區的天線底邊產生散射，從而在金屬貼片的底部激勵起二次電流。特別是當采取中饋的方式時，饋電點距接地板較遠，使得同軸內導體延長成為一次輻射體。H形貼片天線變成了該輻射體的頂加載，對天線性能影響很大。

當在饋電點位于天線輻射體的中部時，電流I沿金屬貼片和同軸線內導體進入天線中部，高頻電流在金屬貼片的周圍產生的繞射電磁場，可以表示為：

3 天線仿真設計

Ansof t HFSS軟件是一種通用的高頻結構電磁場仿真軟件，其高效、準確的仿真分析，贏得了許多微波工程師的青睞，被廣泛地應用在微波器件的仿真設計中。本文利用HFSS軟件仿真設計H型天線，并對天線的主要性能進行分析。

天線的H形貼片長設置為18.9cm，寬設置為10cm，H型凹槽設置為3.5cm，寬設置為3.3cm。天線的結構是在介電常數為2.7的H型介質基板的兩面鍍上金屬薄片，介質基板的厚度設置為0.14cm，天線的饋電點位于天線的中部，饋線的外導體半徑設置為0.7cm，長度設置為為4.2cm，饋線的內導體的半徑設置為0.1cm，長度設置為4.4cm，加大的同軸線外導體外徑的半徑為1.5cm，外導體和內導體之間填充介電常數為2.1的Tef l on材料，延長內導體到天線的中部饋電，掃頻范圍為200－800MHz，中心頻率設計為350MHz，迭代12次。H形天線的仿真模型如圖2所示。

圖2 H形天線仿真模型

實驗結果如圖3、圖4所示。

圖3 外圈長度對工作帶寬的影響

圖4 外圈長度對增益的影響

由上圖可以得知T形阻抗變換器的L2等于0.15cm時，天線的增益為2.6186dB，工作帶寬為178MHz，仿真結果符合機載天線的基本要求。

4 結束語

本文分析了飛機平臺上的UHF天線的要求，利用HFSS仿真設計了一款H型天線，并對天線的饋電結構進行了分析，得出了天線的仿真結果，仿真結果表明天線的性能符合機載天線的基本要求。

[1]盧曉鵬,張玉梅,倪華.一種用于機載SAR的UHF波段超寬帶天線[J].雷達科學與技術,2004,2(1).

[2]J.J.Lee,S.Livingston,R.Sauer,G.Crandall.A UHF Wide-Band SAR Antenna.IEEE Phased Array Systems and Technology Proceedings,2000:437-440.

[3]李萍,梁昌洪,等.UHF雷達天線饋源的研究[J].西安電子科技大學學報,2004,31(2).