利用Ansoft軟件進行平板縫陣天線仿真設計

范燁

（國營781廠研究所，甘肅 蘭州 730070）

利用Ansoft軟件進行平板縫陣天線仿真設計

范燁

（國營781廠研究所，甘肅 蘭州 730070）

利用Ansoft HFSS仿真軟件設計了一種平板縫陣天線，經過對實物進行測試，驗證了仿真結果與實物結果相一致。結果顯示該平板縫陣天線具有很大的實用價值，同時體現了HFSS作為高頻仿真工具的有效性和準確性。

HFSS；平板縫陣天線

1　概述

在現代通訊﹑導航、機載，氣象和彈載雷達系統中，通常都用到微波毫米波天線系統。隨著系統的性能要求越來越高以及系統的日益復雜化，對其開發的周期變長，成本亦不斷增加，因而用于天線設計的傳統方法就變得不夠經濟有效。隨著計算機在CPU速度。存儲器RAM和存貯設備（硬盤）上發展驚人，一些基于電磁場模型的復雜而精細的全波分析數值方法（如有限元方法﹑矩量法等）因運而生，并已變成十分方便的設計工具。就應用Ansoft公司的HFSS10.0高頻電磁場仿真軟件對Ku波段平板縫陣天線進行優化設計。因為這種陣列天線，其不但具有口面效率高、副瓣電平低等優良的電氣性能，而且還有厚度小、重量輕、結構緊湊、強度高、安裝方便、抗風力強等特點。隨著軟件的不斷應用，工程設計人員將在設計方法上有所變革，使得產品的性能和工作效率不斷提高，研制周期和成本不斷下降。

2　Ku波段半高平板縫陣天線的結構與設計

Ku平板縫陣天線包括輻射層、饋電層、功分網絡和和差網絡。因為結構空間及重量的限制，各層窄邊均采用半高波導。

2.1輻射波導、饋電波導尺寸的選擇分配

在此Ku波段使用的標準波導內尺寸為 （15.8× 7.9）mm。為了降低整個天線的厚度，通常采用半高度的波導。為此選用波導高度尺寸為3.95mm。若用半高波導，其功率容量將下降，而功率衰減將增加。

波導僅傳輸TE10模，λc=2a；a=15.8mm，b=4mm，μ1=4π×10-7；當波導用Al合金時，δ=3.72×107，f為工作頻率，λ為工作波長；通過計算可得損耗：

δ=0.3dB/m

耦合波導用來對輻射波導饋電，為了保證每根輻射波導的同相饋電，

a=15.8mm。λ=20mm。

則耦合波導寬邊尺寸a‘=12.5mm。

但是當選用波導寬邊尺寸為15.8mm時，構成平面陣列時，需要加入兩波導間的隔板，其厚度約為1mm，則輻射波導中心線間的距離為16.8mm。在此尺寸的耦合波導的尺寸僅為12.5mm，其導內波長為33.6mm，而輻射波導其導內波長為25.8mm，可見兩種波導的導內波長差別較大。當工作頻率變化時，耦合波導的導內波長對工作波長的變化率將大大超過輻射波導的導內波長對工作波長的變化率。

因為導內波長與工作帶寬的工作波長直接相關，若取輻射波導的導內波長用λg1表示，耦合波導的導內波長用λg2表示。

由于λg對λ0的變化率由下式表示

可見耦合波導的λg2輻射波導的λg1對λ0的變化率達了2.2倍。因此對工作帶寬的影響較大。

為了降低λg2對λ0的變化率，采用了減少輻射波導尺寸的方法。通過一系列計算和比較選用了輻射波導尺寸為 14.5mm；此時耦合波導尺寸為14.85mm。

由于λg對λ0的變化率兩者差別不大。

2.2陣面外形尺寸的確定

據給定的技術條件，天線外緣尺寸應小于Φ260mm。據上面選用的輻射波導的幾何尺寸及導內波長。可以求出水平面內裂縫數目。260mm÷ 14.85mm=17.5mm（14.85mm為輻射波導的二分之一的導內波長）。可知只可容納17.5個裂縫。據天線尺寸不可大于Φ260mm的要求，在水平面內最多取輻射縫為16個。而在垂直面內，則150mm÷14.5mm= 10.34mm。說明垂直面內可容納10根輻射波導。整個天線水平方向最大尺寸238.6mm，垂直方向最大尺寸150mm，（包括耦合波導兩端λg/4的尺寸）。

為了充分利用空間，采用對天線邊緣用裂縫（14.85×14.5）mm截取。

2.3子陣的劃分

子陣內所含裂縫數目的多少與天線工作的帶寬要求有著重要關系。表1給出了裂縫數與工作帶寬間的關系。

表1　裂縫數與工作帶寬間的關系

以上數據給定的條件使天線副瓣為-22dB；輸入駐波比≤1.8；裂縫總數表示為若有三根輻射波導構成子陣，每根波導上有4個裂縫，則裂縫總數為12。其輻射波導為端饋條件，若對輻射波導中心饋電時，其工作帶寬尚可加寬。

為保證天線工作帶寬±1.7%的要求，在每個象限內有30個裂縫，劃分為一個子陣，從而可保證帶寬為±250MHz時，VSWR≤1.8。所以整個天線分4個子陣采用輻射波導中心饋電。

2.4饋電網絡、功分網絡及和差器

根據技術要求，天線具有方位面的單脈沖性能。為了保證每個子陣的相位，需要在每個子陣前加入相位微調設備。為了使天線有盡可能高的增益，在天線面積一定、綜合函數也確定的情況下要盡可能減少損耗（包括駐波損耗）是很重要的環節。要是副瓣低，整個系統體現在天線陣面上的幅、相誤差應盡可能小。要使天線有好的零深，整個系統必須做得很對稱。

我們必須對功分網絡綜合，最終的目的是要使天線各子陣上的幅、相分布在所要求的頻帶內達到所要求的精度。例如，相位誤差應小于5°，幅度誤差應小于0.2dB。同時選擇合適的組合方式，讓各網絡的組成基本分配單元的耦合系數落在特性較好、頻率特性較平坦的區域。且選擇恰當的饋電位置，使其總的傳輸饋線最短。結構上應盡量緊湊，以減輕體積和重量。

起初方案，天線按照單平面單脈沖考慮，現在總體對俯仰也有要求，所以該天線的體制為雙平面單脈沖體制。為了確保系統承受功率和盡可能減少損耗，考慮到和、差網絡在系統中是輸入端，我們選擇標準波導（15.8×7.9）mm作為組成和、差網絡波導，用四個變形魔T組合成和差器。

2.5通常工程上縫隙陣天線設計的一般程序

1）根據泰勒線源法計算出各縫隙的激勵電流分布幅度和相位；

2）根據激勵分布結合經典公式確定縫隙參數；

3）根據輻射功率和激勵分布所確定的電導值確定縫隙寬度；

4）利用HFSS10.0的優化功能得到每個裂縫的諧振長度；

5）根據優化給出的縫隙尺寸建立波導縫隙陣列的陣面模型，根據陣面模型選擇具體的饋電形式，建立相應的饋電網絡；

6）利用HFSS對波導縫隙陣模型進行3-D電磁特性的仿真。

因為雷達工作于單脈沖模式。單脈沖天線分為幅度及相位單脈沖兩種形式。而平板天線構成的單脈沖天線屬于相位單脈沖，為取得單脈沖信號通常把天線劃分為四個象限，每個象限再分為若干個子陣列。四個象限的信號通過饋電網絡形成“和”“差”信號，由于在工程實踐中受重量體積的限制，天線設計中僅保證“和”波瓣按最佳設計。對“差”波瓣的副瓣電平一般不做要求。

采用泰勒線源法編程計算，取方位面ξ=-28dB、等副瓣數n=4，俯仰面ξ=-26dB、等副瓣數n=4，通過計算得到每個縫隙的激勵電流分布。

平板裂縫天線需要采用天線的CAD設計。CAD設計采用了R.S.Eliott提出的有源導納法，其方法涉及三個設計方程。利用縫隙激勵電流，通過3個設計方程編程計算得到每個縫隙的縫長及縫隙的偏置。

通過利用Ansoft軟件的HFSS建立3D模型。

圖1　天線陣面3D模型

圖1是利用Ansoft軟件建立陣面和饋網3D模型，圖2～圖3是模型建立后用HFSS10.0進行優化仿真的平板天線方向圖曲線。

圖2　和路方向圖

圖3　差路方向圖

3　設計結果

此Ku平板縫陣天線在整個工作頻段范圍內，要求天線和增益大于28Db，副瓣電平小于-25Db，差路零值深度小于-30Db，駐波系數均小于1.8。加工出來的實物產品通過在我公司安捷倫85301B近場測量系統對其性能進行測試，平板縫陣天線實測方向圖見圖4～圖5，通過測試在整個工作頻段該天線的性能指標均滿足設計預期。

圖4　和路方向圖

圖5　差路方向圖

4　結束語

本文介紹了平板縫陣天線的設計過程。平板天線系統復雜，需要解決一系列的關鍵技術。如各縫隙之間的互耦的仿真計算、幅相誤差的分析。超低副瓣技術、診斷及測試技術和天線波束的指向精度等，特別是一些大型的縫陣天線，必須借助Ansoft等仿真軟件，這樣既節約成本又縮短研制周期。文中對整個天線系統進行仿真分析，并做出實物用于工程中，仿真結果與實物比較吻合。

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