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HFSS仿真設計Ka波段微帶陣列天線

    【摘 要】微帶天線由于其重量輕、剖面小、易共形、設計靈活、成本低且易和等電路相集成等優點得到 了越來越廣泛的應用，比如導彈制導、雷達、衛星通信等方面。毫米波波長介于微波和紅外之間，因而其特性也在一定程度上介于兩者之間，如適中的分辨率及良好的煙塵穿透性，因此在某些情況下可以完成微波和紅外均難以完成的任務。本文主要對Ka 波段微帶天線單元、T 接頭和拐角、2×2 面陣和 4×4 面陣進行仿真，主要工作有：

    （1）設計天線單元，對單元S11 參數進行仿真；

    （2）設計T 型接頭，仿真 S11、S21 等參數；

    （3）仿真2×2 面陣和4×4 面陣的S11參數、方向圖等特性。此外，利用4×4面陣的方向圖結果和HFSS的Antenna Array Setup 分析 16×16 的面陣方向圖。

    1 前言

    Ka 波段微帶天線是指工作頻段在26-40GHz，波長范圍在1.11-0.75cm 的微帶天線。鑒于Ka 頻段具有可用帶寬寬、干擾少、設備體積小等優點，Ka 波段天線在空間方面主要應 用于衛星通信。在全球信息基礎設施中，Ka 波段衛星發揮著至關重要的作用，能夠向最終用戶提供各種經濟實惠的實時網絡服務，例如高速互聯網接入、遠程教育、遠程診斷以及 電視娛樂等。因此，Ka 波段天線具有不可替代的重要作用。而Ka 波段微帶天線以其重量輕、剖面小、設計靈活、成本低廉且易和 MIC、MMIC 等電路相集成等優點應用于各種通 信系統，并且已廣泛應用于軍事領域，例如雷達、導彈制導、引信等方面 [1-3] 。

    目前，Ka 波段微帶天線在空間方面主要應用于衛星通信飛機上的通信及警報設備、飛船與地面的通信等。另外，在宇宙空間方面主要應用于資源探測。在地面應用主要針對 地面通信或對空中飛行物的定位、定向等。例如地面無線通信、飛機測高、機場管理、環 境監測、汽車防撞雷達醫療設備、衛星電視接收等。

    本文對 Ka 波段微帶天線進行仿真設計，對微帶天線單元、T 型接頭的微帶天線陣列天 線進行了分析，仿真了天線 S 參數和方向圖等特性。

    2 微帶陣列天線仿真設計

    2.1 天線單元設計

    利用HFSS 仿真設計微帶天線單元。選取天線結構如圖1 所示。使用Rogers RT/duriod 5880 介電常數εr = 2.2，厚度 h=0.245 的介質基片。根據參考文獻[1]，考慮f0=35.125GHz，且取得低極化電平的限制為W/L=1.5，故先選取 W=3.8mm、L=2.6mm。微帶饋線特性阻抗選擇為94Ω ，饋線寬度為0.238mm。饋電位置選擇在微帶貼片的邊緣位置饋電。

圖1 微帶天線單元

圖2  微帶天線單元S11仿真結果

    微帶貼片單元S11仿真結果如圖2 所示，從圖中可以看出當前的微帶天線單元在34.2GHz～35.6GHz 范圍內滿足S11<-10dB，帶寬為1.4GHz；諧振頻率為34.88GHz。

    2.2 饋電網絡設計

    饋電網絡設計的主要任務是保證各陣元所要求的激勵振幅和相位，比便形成所要求的方向圖，主要要求是阻抗匹配、損耗小、頻帶寬和結構簡單。天線陣中各單元同幅同相，為達到這一要求，必須使到各單元的饋線等長。但饋線等長時，波速指向與頻率無關，所以頻帶寬度主要取決于阻抗匹配的頻帶。為此，必須使饋線與貼片單元和饋線各接頭做到良好的匹配。本設計中采用由T 型結構組成的等幅同相的饋電網絡[4-5]。

    2.2.1 T 型接頭

    首先是T 型接頭的設計。根據傳輸線理論，將并接的兩段特性阻抗均為Z1的饋線通過阻抗變換器匹配到特性阻抗為Z2的饋線，中間的阻抗變換器長度為工作波長的四分之一， 阻抗變換器的特性阻抗

    為了補償 T 型接頭的不連續參量，可以在主線上（分支線的對面）開個三角槽。因為微帶天線單元饋線寬度為0.238mm，特性阻抗為94Ω ，為了設計簡便，令Z1=Z2。阻抗變換器的寬度為0.466mm，特性阻抗為70Ω ，長度為1.54mm， 三角槽的底角θ = 25°，腰的長度為0.507mm。此外考慮到微帶貼片單元饋電點在非輻射邊 的邊緣，當組成陣列時，如果直接用簡單組合的型接頭饋電網絡為每個陣元饋電，將會導致型接頭饋電網絡的饋電點與陣元距離太近甚至重合，而影響微帶貼片陣元的輻射方向圖。 因此，為了保證陣元的間距，減少饋電網絡與陣元之間的耦合，將饋電網絡稍作改進[6]。

    2.2.2 饋電網絡

    利用上述T 型接頭，組成2×2 陣列的等幅同相饋電網絡，饋電網絡結構及仿真結果如圖3所示。其中對于2×2 陣列饋電網絡，工作頻率為35GHz 時，對于端口1，反射系數S11 為-20dB，比單個T 型接頭增大了5dB，說明阻抗匹配情況有待進一步改善。傳輸系數 S21、S31、S41、S51 分別為-6.2dB、-6.3dB、-6.5dB、-6.5dB。對于更大的陣列，如 4×4 陣列由4 個2×2 陣列組成，以次類推。

圖3（a）結構圖     （b）S參數特性 

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