基于HFSS矩形微带天线阵的设计与优化pdf

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1、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

2、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

3、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2微带线馈电方式图表1微带天线的结构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

4、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/2wh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

5、用的介质材料为，其相对介电常数3.5，介质板厚度h=0.254mm。1.1单元宽度W的确定：1c12rW22f0式1-1式中c是光速，f是中心频率。01.2单元长度L的确定：111h2rre11222w式1-2式中e为有效介电常数e0.3Wh/0.264L0.412e0.258Wh/0.8式1-3c1LL2L/2LL2er02f0e式1-41.3介质基板尺寸的确定：LGL0.2式1-5gWGW0.2式1-6g2馈电方式的选择馈电方式在微带贴片天线

6、设计中扮演了重要角色。矩形微带贴片天线有两种馈电方式，一种是同轴探针馈电，又称背馈，另一种是微带线馈电，又称侧面馈电。同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高增益微带阵列天线。本文选用基于微带线的嵌入馈电，如图表4所示。图表4嵌入馈电微带贴片天线在微带线嵌入馈电时，嵌入的长度将决定了输入阻抗的大小。因此，为实现50Ω阻抗匹配，由公式可求得嵌入的长度y0。表格1给出天线设计所需各项参数数值。表格1各项参数数值参h(mm)L(mm)W(mm)LG(mm)WG(mm)y0(mm)Wf(mm)r数数0.2543.34.1664.75.50.91

7、560.5733.5值三利用HFSS进行单片贴片的模拟仿真和优化1建模计算基于以上参数，可以很快建立出微带贴片天线的模型人，如图表5所示，模型采用的求解方式为终端驱动（DrivenTerminal），对Port的激励方式采用Lump-port,设置求解频率为24GHz，然后添加扫频，采用快速扫频模式，运行HFSS进行仿真求解，得到图表6所示S11扫频曲线。由报告可知，按该尺寸设计出的微带天线谐振在23.6~23.7GHz之间，与期望的中心频率24GHz相比，存在一定的误差。需要进行优化设计，使天线谐振频率落在24GHz上。图表5矩形微带天线模型图表6S11扫频曲线

8、2优化根据