基于HFSS矩形微带天线阵的设计与优化.pdf

基于HFSS 矩形微带阵列天线的设计与优化 靳振龙，许莹莹 摘要：根据微带天线的辐射原理，本文设计了一款工作频率在24GHz 的矩形微 带阵列天线。利用Ansoft 公司的HFSS13.0 进行了建模并对其进行仿真，通过 主要的结构参数分析对天线进行了有效的优化。实测结果表明，该阵列天线在 24GHz 频段上获得超过3%的相对带宽，副瓣电平低于-15dB, 增益可达到10dB。 关键字：微带天线； HFSS；副瓣电平；带宽；增益 引言 微带天线是二十世纪七十年代发展起来的一种新型天线。其具有低剖面、体 积小、重量轻和易于与载体共形等优点，因而在移动通信、卫星通讯、导弹遥测、 多普勒雷达等许多领域获得了广泛的应用。由于实际应用需要，往往要求天线具 有较高的增益和较强的方向性等特点，而单个微带天线辐射元的增益和方向性又 很难达到要求，为此微带天线通常采用天线阵列的形式，由馈电网络控制天线阵 列的激励幅度和相位，以获得低损耗、高增益、强方向性等特点。 Ansoft 公司推出的HFSS 软件因其准确的计算和强大的仿真功能，已成为天 线设计业内人士必备的工具之一。本文利用HFSS 设计了一款1×18 的直线型微 带阵列天线，并对阵列单元进行仿真和实现天线阵列整体性能的优化。同时计算 了该天线阵的增益、输入驻波比等参数。 一 微带天线的基本介绍以及辐射原理 目前，由于分析微带天线的方法不同，对它的物理结构以及辐射原理有不同 的理论。这里为简单起见以矩形贴片微带天线为例。 1 矩形微带天线的结构 图表1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部 分组成。与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L、辐射元的宽度W、介质层 的厚度h、介质的相对介电常数 损耗正切 、介质的长度LG 和宽度WG。图2 所 示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的。 图表 1 微带天线的结构 图表 2 微带线馈电方式 2 矩形微带贴片天线的辐射原理 图表2 所示，场在宽度和厚度方向上是常数，变化仅出现在贴片长度向上， 其场分布图如图表3-2(a)所示。相对于接地板两端的电场可分为的切向分量和法 向分量，因水平分量方向相同，产生的远区场会相互叠加；法向分量方向相反， 产生的远区场会相消。据此分析可知，矩形微带贴片可以等效为两个激励方向相 同、向地板以上半空间辐射并且辐射距离为 的两个缝隙，如图表3-2(b) 。 辐射缝隙 / 2 / 2 w h l (a)等效辐射场图 (b)辐射场分布图 图表3-2 矩形微带贴片天线的辐射原理 二 矩形微带天线单元的设计以及馈电方式的选择 1 矩形微带贴片天线参数 根据矩形微带贴片天线的辐射原理，可以设计矩形微带贴片天线单片的参数。 本文设计的矩形微带贴片天线工作于ISM 频段，中心频率为24GHz ；交通测速 雷达，汽车变道辅助系统，水位计，汽车ACC 雷达巡航系统等均可工作在该频 段。选用的介质材料为，其相对介电常数3.5，介质板厚度h=0.254mm 。 W 1.1 单元宽度 的确定： 1  c  1 2 W  r  2f 0  2  式1-1 f 式中 是光速， 是中心频率。 c 0