毫米波圓極化介質復合波導縫隙陣列天線的HFSS設計

2016-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本文利用ANSYS HFSS設計了一種工作于毫米波段的介質復合波導縫隙天線陣列,在介質覆銅板加工出縫隙并與波導槽復合形成輻射結構,利用HFSS 軟件仿真并分析縫隙導納,泰勒加權實現陣列綜合。設計平面和差網絡實現天饋系統一體化,利用介質覆銅板加工出圓極化柵,并利用HFSS對整體天線進行了仿真調試。仿真結果與實物測試結果基本一致,驗證了軟件仿真的準確性和設計的可行性。該天線成本低、一致性高、圓極化性能好,同時可以改善傳統波導縫隙天線成品率低、成本高和工作帶寬窄的缺點,并將工作頻帶展寬至700MHz。

1、前言

作為一種常用毫米波天線,波導縫隙天線加工成本高、成品率低。基于印刷縫隙的介質復合波導縫隙天線是將開縫的介質覆銅板復合到波導槽上,保有傳統波導縫隙天線輻射效率的同時,還具有一致性好、生產工藝簡單、成品率高、成本低等優點。有學者對覆介質的波導縫隙特性進行了一些輻射特性分析,加工實物的有單條復合縫隙陣。本文利用ANSYSHFSS仿真軟件的精確計算功能,設計仿真并制作一種毫米波圓極化介質復合波導縫隙天線,通過編寫陣列加權算法進行激勵分布計算,并主要利用仿真軟件HFSS對縫隙導納進行提取并擬合曲線。基于天饋系統一體化、一維波束和差的目的,利用HFSS設計了包含平面魔T的一維和差網絡。通過總結已有設計經驗,設計一種基于介質覆銅板的極化柵,可覆蓋于天線表面實現圓極化。經過實物測試,天線于毫米波段工作性能良好:工作頻帶內水平維和波束副瓣電平低于-18dB,俯仰維3dB波束寬度超過±15°,差波束零深25dB,右旋圓極化增益約22dBi,3dB波束范圍內軸比小于5dB。仿真結果與實測結果一致。

2、介質復合波導縫隙天線理論

2.1、天線結構

本文涉及一種介質復合波導天線,其輻射結構如圖1所示,采用介質覆銅板加工縫隙代替傳統波導的開縫寬邊。與傳統波導寬邊開縫的天線相比,介質復合波導相當于在縫隙表面覆蓋一層介質,對于縫隙以及波導腔體結構都具有保護作用。

2.2、波導寬邊縱縫單元分析

如圖2(a)所示,波導寬邊縱縫單元等效為并聯的導納,其導納數值與波導尺寸、工作頻率、縱縫的偏置以及長度等參數有關。引入介質覆蓋后,導納公式相應改變,有文獻對覆介質波導縫隙的導納特性進行研究,但其計算繁復且仍需要仿真驗證。本文直接采用HFSS建立覆介質波導縱縫單元,通過仿真提取導納并擬合曲線的方式對其對應關系進行研究。

3、利用HFSS軟件設計陣列天線

3.1、設計陣列

波導縫隙陣列是天線的核心,實現方向圖的大多數特性。本文設計縫隙陣列工作頻率為Ka波段,陣列規模為2×32排布,設計副瓣電平為-20dB,增益為22dBi。如圖2(b)所示,選擇陣列形式為諧振式波導寬邊縫隙陣,其優點在于結構緊湊,工作性能較穩定。由于陣列定為2×32排布,計算縫隙等效導納時需要考慮同一波導及兩條波導間的縫隙互耦。

3.1.1、計算陣列加權

通過編寫算法程序實現陣列的泰勒加權分布,對陣列的激勵權值進行計算。為得到方向圖的一維和差,陣列采用對稱式饋電結構。以副瓣電平-22dB加權,得到各單元權值。

3.1.2、提取引入縫隙間互耦的導納

HFSS可以準確地對所建模型進行場的求解,使設計更加簡便。利用HFSS建立兩條平行波導的多個縫隙模型進行導納分析,能對縫隙互耦進行計算,得到比單個縫隙模型以及單條波導模型更準確的縫隙導納參數。僅激勵單條波導時,另一條波導能量場耦合如圖3(a)所示;兩條波導同時激勵時,場分布如圖3(b)所示。縫隙耦合量級為-20dB~-30dB。

通過調節縫隙的長度l、寬度參數w、縫隙偏置d,使模型達到諧振狀態并使縫隙互耦盡量小,對縫隙的導納參數進行提取。此時提取出的參數即為引入平行波導間縫隙互耦影響的結果,更接近實物。將提取出的導納參數進行處理,擬合出導納-偏置-縫長對應曲線,結合激勵權值進行陣列設計。經過軟件仿真,最終的縫隙陣列見圖4。

3.2、平面和差網絡設計

3.2.1、設計平面魔T

考慮用金屬一體加工出波導槽和饋電網絡。因此利用HFSS設計平面魔T實現一維信號的和差。在模型中,用易加工的金屬臺代替傳統立體魔T的錐臺,如圖5(a)所示。經過仿真,和差端口隔離度優于30dB,插損小于0.3dB。

3.2.2、設計和差網絡

利用波導與平面魔T組合成為和差網絡,優化波導拐角以及長度,對兩側天線陣的激勵幅度和相位進行調節。最終模型見圖5(b),最終兩條饋電波導通過斜縫將能量耦合至輻射波導腔。

3.3、仿真整體天線

通過現有研究結果,以介質覆銅板為基礎,利用HFSS設計了毫米波圓極化柵。將圓極化柵、天線陣列和和差網絡組合成整體天線,如圖6(a)所示,仿真整體天線模型并進行優化調試,天線的圓極化性能良好。

4、實物測試結果

天線實物照片見圖6(b),仿真與實測方向圖對比見圖7。實測和差口駐波比曲線如圖8所示。

對比仿真與實測結果可見,仿真和差方向圖與實測基本一致。利用HFSS建立平行波導縫隙模型并提取縫隙導納,可以將縫隙的互耦影響計算在內,與傳統電磁計算方法相比更精確且有效率。

5、結論

本文利用HFSS設計一種毫米波圓極化介質復合波導縫隙天線。通過建立模型仿真,對縫隙導納進行提取并擬合曲線。利用HFSS設計一維和差網絡以及基于介質覆銅板的極化柵,實現左/右旋圓極化。經過實物測試,天線于毫米波段工作性能良好:所設計的介質復合波導縫隙天線實現了一維波束和差,差波束零深25dB;圓極化柵實現了右旋圓極化增益約22dBi,3dB波束范圍內軸比小于5dB;在保有傳統波導縫隙天線輻射效率的同時,該復合天線將工作頻帶展寬至700MHz。仿真結果與實測結果一致。

來源:互聯網作者:閆丕賢劉埇呂昕

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