范燁

（國(guó)營(yíng)781廠(chǎng)研究所，甘肅 蘭州 730070）

利用Ansoft軟件進(jìn)行平板縫陣天線(xiàn)仿真設(shè)計(jì)

范燁

（國(guó)營(yíng)781廠(chǎng)研究所，甘肅 蘭州 730070）

利用Ansoft HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)了一種平板縫陣天線(xiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了仿真結(jié)果與實(shí)物結(jié)果相一致。結(jié)果顯示該平板縫陣天線(xiàn)具有很大的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)體現(xiàn)了HFSS作為高頻仿真工具的有效性和準(zhǔn)確性。

HFSS；平板縫陣天線(xiàn)

1　概述

在現(xiàn)代通訊﹑導(dǎo)航、機(jī)載，氣象和彈載雷達(dá)系統(tǒng)中，通常都用到微波毫米波天線(xiàn)系統(tǒng)。隨著系統(tǒng)的性能要求越來(lái)越高以及系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，對(duì)其開(kāi)發(fā)的周期變長(zhǎng)，成本亦不斷增加，因而用于天線(xiàn)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法就變得不夠經(jīng)濟(jì)有效。隨著計(jì)算機(jī)在CPU速度。存儲(chǔ)器RAM和存貯設(shè)備（硬盤(pán)）上發(fā)展驚人，一些基于電磁場(chǎng)模型的復(fù)雜而精細(xì)的全波分析數(shù)值方法（如有限元方法﹑矩量法等）因運(yùn)而生，并已變成十分方便的設(shè)計(jì)工具。就應(yīng)用Ansoft公司的HFSS10.0高頻電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)Ku波段平板縫陣天線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因?yàn)檫@種陣列天線(xiàn)，其不但具有口面效率高、副瓣電平低等優(yōu)良的電氣性能，而且還有厚度小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、安裝方便、抗風(fēng)力強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著軟件的不斷應(yīng)用，工程設(shè)計(jì)人員將在設(shè)計(jì)方法上有所變革，使得產(chǎn)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(xiàn)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

Ku平板縫陣天線(xiàn)包括輻射層、饋電層、功分網(wǎng)絡(luò)和和差網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)空間及重量的限制，各層窄邊均采用半高波導(dǎo)。

2.1輻射波導(dǎo)、饋電波導(dǎo)尺寸的選擇分配

在此Ku波段使用的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)內(nèi)尺寸為 （15.8× 7.9）mm。為了降低整個(gè)天線(xiàn)的厚度，通常采用半高度的波導(dǎo)。為此選用波導(dǎo)高度尺寸為3.95mm。若用半高波導(dǎo)，其功率容量將下降，而功率衰減將增加。

波導(dǎo)僅傳輸TE10模，λc=2a；a=15.8mm，b=4mm，μ1=4π×10-7；當(dāng)波導(dǎo)用Al合金時(shí)，δ=3.72×107，f為工作頻率，λ為工作波長(zhǎng)；通過(guò)計(jì)算可得損耗：

δ=0.3dB/m

耦合波導(dǎo)用來(lái)對(duì)輻射波導(dǎo)饋電，為了保證每根輻射波導(dǎo)的同相饋電，

a=15.8mm。λ=20mm。

則耦合波導(dǎo)寬邊尺寸a‘=12.5mm。

但是當(dāng)選用波導(dǎo)寬邊尺寸為15.8mm時(shí)，構(gòu)成平面陣列時(shí)，需要加入兩波導(dǎo)間的隔板，其厚度約為1mm，則輻射波導(dǎo)中心線(xiàn)間的距離為16.8mm。在此尺寸的耦合波導(dǎo)的尺寸僅為12.5mm，其導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)為33.6mm，而輻射波導(dǎo)其導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)為25.8mm，可見(jiàn)兩種波導(dǎo)的導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)差別較大。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，耦合波導(dǎo)的導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)對(duì)工作波長(zhǎng)的變化率將大大超過(guò)輻射波導(dǎo)的導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)對(duì)工作波長(zhǎng)的變化率。

因?yàn)閷?dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)與工作帶寬的工作波長(zhǎng)直接相關(guān)，若取輻射波導(dǎo)的導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)用λg1表示，耦合波導(dǎo)的導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)用λg2表示。

由于λg對(duì)λ0的變化率由下式表示

可見(jiàn)耦合波導(dǎo)的λg2輻射波導(dǎo)的λg1對(duì)λ0的變化率達(dá)了2.2倍。因此對(duì)工作帶寬的影響較大。

為了降低λg2對(duì)λ0的變化率，采用了減少輻射波導(dǎo)尺寸的方法。通過(guò)一系列計(jì)算和比較選用了輻射波導(dǎo)尺寸為 14.5mm；此時(shí)耦合波導(dǎo)尺寸為14.85mm。

由于λg對(duì)λ0的變化率兩者差別不大。

2.2陣面外形尺寸的確定

據(jù)給定的技術(shù)條件，天線(xiàn)外緣尺寸應(yīng)小于Φ260mm。據(jù)上面選用的輻射波導(dǎo)的幾何尺寸及導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)。可以求出水平面內(nèi)裂縫數(shù)目。260mm÷ 14.85mm=17.5mm（14.85mm為輻射波導(dǎo)的二分之一的導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)）?？芍豢扇菁{17.5個(gè)裂縫。據(jù)天線(xiàn)尺寸不可大于Φ260mm的要求，在水平面內(nèi)最多取輻射縫為16個(gè)。而在垂直面內(nèi)，則150mm÷14.5mm= 10.34mm。說(shuō)明垂直面內(nèi)可容納10根輻射波導(dǎo)。整個(gè)天線(xiàn)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(dǎo)兩端λg/4的尺寸）。

為了充分利用空間，采用對(duì)天線(xiàn)邊緣用裂縫（14.85×14.5）mm截取。

2.3子陣的劃分

子陣內(nèi)所含裂縫數(shù)目的多少與天線(xiàn)工作的帶寬要求有著重要關(guān)系。表1給出了裂縫數(shù)與工作帶寬間的關(guān)系。

表1　裂縫數(shù)與工作帶寬間的關(guān)系

以上數(shù)據(jù)給定的條件使天線(xiàn)副瓣為-22dB；輸入駐波比≤1.8；裂縫總數(shù)表示為若有三根輻射波導(dǎo)構(gòu)成子陣，每根波導(dǎo)上有4個(gè)裂縫，則裂縫總數(shù)為12。其輻射波導(dǎo)為端饋條件，若對(duì)輻射波導(dǎo)中心饋電時(shí)，其工作帶寬尚可加寬。

為保證天線(xiàn)工作帶寬±1.7%的要求，在每個(gè)象限內(nèi)有30個(gè)裂縫，劃分為一個(gè)子陣，從而可保證帶寬為±250MHz時(shí)，VSWR≤1.8。所以整個(gè)天線(xiàn)分4個(gè)子陣采用輻射波導(dǎo)中心饋電。

2.4饋電網(wǎng)絡(luò)、功分網(wǎng)絡(luò)及和差器

根據(jù)技術(shù)要求，天線(xiàn)具有方位面的單脈沖性能。為了保證每個(gè)子陣的相位，需要在每個(gè)子陣前加入相位微調(diào)設(shè)備。為了使天線(xiàn)有盡可能高的增益，在天線(xiàn)面積一定、綜合函數(shù)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(huán)節(jié)。要是副瓣低，整個(gè)系統(tǒng)體現(xiàn)在天線(xiàn)陣面上的幅、相誤差應(yīng)盡可能小。要使天線(xiàn)有好的零深，整個(gè)系統(tǒng)必須做得很對(duì)稱(chēng)。

我們必須對(duì)功分網(wǎng)絡(luò)綜合，最終的目的是要使天線(xiàn)各子陣上的幅、相分布在所要求的頻帶內(nèi)達(dá)到所要求的精度。例如，相位誤差應(yīng)小于5°，幅度誤差應(yīng)小于0.2dB。同時(shí)選擇合適的組合方式，讓各網(wǎng)絡(luò)的組成基本分配單元的耦合系數(shù)落在特性較好、頻率特性較平坦的區(qū)域。且選擇恰當(dāng)?shù)酿侂娢恢茫蛊淇偟膫鬏旔伨€(xiàn)最短。結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量緊湊，以減輕體積和重量。

起初方案，天線(xiàn)按照單平面單脈沖考慮，現(xiàn)在總體對(duì)俯仰也有要求，所以該天線(xiàn)的體制為雙平面單脈沖體制。為了確保系統(tǒng)承受功率和盡可能減少損耗，考慮到和、差網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)中是輸入端，我們選擇標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)（15.8×7.9）mm作為組成和、差網(wǎng)絡(luò)波導(dǎo)，用四個(gè)變形魔T組合成和差器。

2.5通常工程上縫隙陣天線(xiàn)設(shè)計(jì)的一般程序

1）根據(jù)泰勒線(xiàn)源法計(jì)算出各縫隙的激勵(lì)電流分布幅度和相位；

2）根據(jù)激勵(lì)分布結(jié)合經(jīng)典公式確定縫隙參數(shù)；

3）根據(jù)輻射功率和激勵(lì)分布所確定的電導(dǎo)值確定縫隙寬度；

4）利用HFSS10.0的優(yōu)化功能得到每個(gè)裂縫的諧振長(zhǎng)度；

5）根據(jù)優(yōu)化給出的縫隙尺寸建立波導(dǎo)縫隙陣列的陣面模型，根據(jù)陣面模型選擇具體的饋電形式，建立相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)；

6）利用HFSS對(duì)波導(dǎo)縫隙陣模型進(jìn)行3-D電磁特性的仿真。

因?yàn)槔走_(dá)工作于單脈沖模式。單脈沖天線(xiàn)分為幅度及相位單脈沖兩種形式。而平板天線(xiàn)構(gòu)成的單脈沖天線(xiàn)屬于相位單脈沖，為取得單脈沖信號(hào)通常把天線(xiàn)劃分為四個(gè)象限，每個(gè)象限再分為若干個(gè)子陣列。四個(gè)象限的信號(hào)通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)形成“和”“差”信號(hào)，由于在工程實(shí)踐中受重量體積的限制，天線(xiàn)設(shè)計(jì)中僅保證“和”波瓣按最佳設(shè)計(jì)。對(duì)“差”波瓣的副瓣電平一般不做要求。

采用泰勒線(xiàn)源法編程計(jì)算，取方位面ξ=-28dB、等副瓣數(shù)n=4，俯仰面ξ=-26dB、等副瓣數(shù)n=4，通過(guò)計(jì)算得到每個(gè)縫隙的激勵(lì)電流分布。

平板裂縫天線(xiàn)需要采用天線(xiàn)的CAD設(shè)計(jì)。CAD設(shè)計(jì)采用了R.S.Eliott提出的有源導(dǎo)納法，其方法涉及三個(gè)設(shè)計(jì)方程。利用縫隙激勵(lì)電流，通過(guò)3個(gè)設(shè)計(jì)方程編程計(jì)算得到每個(gè)縫隙的縫長(zhǎng)及縫隙的偏置。

通過(guò)利用Ansoft軟件的HFSS建立3D模型。

圖1　天線(xiàn)陣面3D模型

圖1是利用Ansoft軟件建立陣面和饋網(wǎng)3D模型，圖2～圖3是模型建立后用HFSS10.0進(jìn)行優(yōu)化仿真的平板天線(xiàn)方向圖曲線(xiàn)。

圖2　和路方向圖

圖3　差路方向圖

3　設(shè)計(jì)結(jié)果

此Ku平板縫陣天線(xiàn)在整個(gè)工作頻段范圍內(nèi)，要求天線(xiàn)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(shù)均小于1.8。加工出來(lái)的實(shí)物產(chǎn)品通過(guò)在我公司安捷倫85301B近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，平板縫陣天線(xiàn)實(shí)測(cè)方向圖見(jiàn)圖4～圖5，通過(guò)測(cè)試在整個(gè)工作頻段該天線(xiàn)的性能指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖4　和路方向圖

圖5　差路方向圖

4　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了平板縫陣天線(xiàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程。平板天線(xiàn)系統(tǒng)復(fù)雜，需要解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)。如各縫隙之間的互耦的仿真計(jì)算、幅相誤差的分析。超低副瓣技術(shù)、診斷及測(cè)試技術(shù)和天線(xiàn)波束的指向精度等，特別是一些大型的縫陣天線(xiàn)，必須借助Ansoft等仿真軟件，這樣既節(jié)約成本又縮短研制周期。文中對(duì)整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并做出實(shí)物用于工程中，仿真結(jié)果與實(shí)物比較吻合。

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