利用Ansoft软件进行平板缝阵天线仿真设计

范烨

（国营781厂研究所，甘肃 兰州 730070）

利用Ansoft软件进行平板缝阵天线仿真设计

范烨

（国营781厂研究所，甘肃 兰州 730070）

利用Ansoft HFSS仿真软件设计了一种平板缝阵天线，经过对实物进行测试，验证了仿真结果与实物结果相一致。结果显示该平板缝阵天线具有很大的实用价值，同时体现了HFSS作为高频仿真工具的有效性和准确性。

HFSS；平板缝阵天线

1　概述

在现代通讯﹑导航、机载，气象和弹载雷达系统中，通常都用到微波毫米波天线系统。随着系统的性能要求越来越高以及系统的日益复杂化，对其开发的周期变长，成本亦不断增加，因而用于天线设计的传统方法就变得不够经济有效。随着计算机在CPU速度。存储器RAM和存贮设备（硬盘）上发展惊人，一些基于电磁场模型的复杂而精细的全波分析数值方法（如有限元方法﹑矩量法等）因运而生，并已变成十分方便的设计工具。就应用Ansoft公司的HFSS10.0高频电磁场仿真软件对Ku波段平板缝阵天线进行优化设计。因为这种阵列天线，其不但具有口面效率高、副瓣电平低等优良的电气性能，而且还有厚度小、重量轻、结构紧凑、强度高、安装方便、抗风力强等特点。随着软件的不断应用，工程设计人员将在设计方法上有所变革，使得产品的性能和工作效率不断提高，研制周期和成本不断下降。

2　Ku波段半高平板缝阵天线的结构与设计

Ku平板缝阵天线包括辐射层、馈电层、功分网络和和差网络。因为结构空间及重量的限制，各层窄边均采用半高波导。

2.1辐射波导、馈电波导尺寸的选择分配

在此Ku波段使用的标准波导内尺寸为 （15.8× 7.9）mm。为了降低整个天线的厚度，通常采用半高度的波导。为此选用波导高度尺寸为3.95mm。若用半高波导，其功率容量将下降，而功率衰减将增加。

波导仅传输TE10模，λc=2a；a=15.8mm，b=4mm，μ1=4π×10-7；当波导用Al合金时，δ=3.72×107，f为工作频率，λ为工作波长；通过计算可得损耗：

δ=0.3dB/m

耦合波导用来对辐射波导馈电，为了保证每根辐射波导的同相馈电，

a=15.8mm。λ=20mm。

则耦合波导宽边尺寸a‘=12.5mm。

但是当选用波导宽边尺寸为15.8mm时，构成平面阵列时，需要加入两波导间的隔板，其厚度约为1mm，则辐射波导中心线间的距离为16.8mm。在此尺寸的耦合波导的尺寸仅为12.5mm，其导内波长为33.6mm，而辐射波导其导内波长为25.8mm，可见两种波导的导内波长差别较大。当工作频率变化时，耦合波导的导内波长对工作波长的变化率将大大超过辐射波导的导内波长对工作波长的变化率。

因为导内波长与工作带宽的工作波长直接相关，若取辐射波导的导内波长用λg1表示，耦合波导的导内波长用λg2表示。

由于λg对λ0的变化率由下式表示

可见耦合波导的λg2辐射波导的λg1对λ0的变化率达了2.2倍。因此对工作带宽的影响较大。

为了降低λg2对λ0的变化率，采用了减少辐射波导尺寸的方法。通过一系列计算和比较选用了辐射波导尺寸为 14.5mm；此时耦合波导尺寸为14.85mm。

由于λg对λ0的变化率两者差别不大。

2.2阵面外形尺寸的确定

据给定的技术条件，天线外缘尺寸应小于Φ260mm。据上面选用的辐射波导的几何尺寸及导内波长。可以求出水平面内裂缝数目。260mm÷ 14.85mm=17.5mm（14.85mm为辐射波导的二分之一的导内波长）。可知只可容纳17.5个裂缝。据天线尺寸不可大于Φ260mm的要求，在水平面内最多取辐射缝为16个。而在垂直面内，则150mm÷14.5mm= 10.34mm。说明垂直面内可容纳10根辐射波导。整个天线水平方向最大尺寸238.6mm，垂直方向最大尺寸150mm，（包括耦合波导两端λg/4的尺寸）。

为了充分利用空间，采用对天线边缘用裂缝（14.85×14.5）mm截取。

2.3子阵的划分

子阵内所含裂缝数目的多少与天线工作的带宽要求有着重要关系。表1给出了裂缝数与工作带宽间的关系。

表1　裂缝数与工作带宽间的关系

以上数据给定的条件使天线副瓣为-22dB；输入驻波比≤1.8；裂缝总数表示为若有三根辐射波导构成子阵，每根波导上有4个裂缝，则裂缝总数为12。其辐射波导为端馈条件，若对辐射波导中心馈电时，其工作带宽尚可加宽。

为保证天线工作带宽±1.7%的要求，在每个象限内有30个裂缝，划分为一个子阵，从而可保证带宽为±250MHz时，VSWR≤1.8。所以整个天线分4个子阵采用辐射波导中心馈电。

2.4馈电网络、功分网络及和差器

根据技术要求，天线具有方位面的单脉冲性能。为了保证每个子阵的相位，需要在每个子阵前加入相位微调设备。为了使天线有尽可能高的增益，在天线面积一定、综合函数也确定的情况下要尽可能减少损耗（包括驻波损耗）是很重要的环节。要是副瓣低，整个系统体现在天线阵面上的幅、相误差应尽可能小。要使天线有好的零深，整个系统必须做得很对称。

我们必须对功分网络综合，最终的目的是要使天线各子阵上的幅、相分布在所要求的频带内达到所要求的精度。例如，相位误差应小于5°，幅度误差应小于0.2dB。同时选择合适的组合方式，让各网络的组成基本分配单元的耦合系数落在特性较好、频率特性较平坦的区域。且选择恰当的馈电位置，使其总的传输馈线最短。结构上应尽量紧凑，以减轻体积和重量。

起初方案，天线按照单平面单脉冲考虑，现在总体对俯仰也有要求，所以该天线的体制为双平面单脉冲体制。为了确保系统承受功率和尽可能减少损耗，考虑到和、差网络在系统中是输入端，我们选择标准波导（15.8×7.9）mm作为组成和、差网络波导，用四个变形魔T组合成和差器。

2.5通常工程上缝隙阵天线设计的一般程序

1）根据泰勒线源法计算出各缝隙的激励电流分布幅度和相位；

2）根据激励分布结合经典公式确定缝隙参数；

3）根据辐射功率和激励分布所确定的电导值确定缝隙宽度；

4）利用HFSS10.0的优化功能得到每个裂缝的谐振长度；

5）根据优化给出的缝隙尺寸建立波导缝隙阵列的阵面模型，根据阵面模型选择具体的馈电形式，建立相应的馈电网络；

6）利用HFSS对波导缝隙阵模型进行3-D电磁特性的仿真。

因为雷达工作于单脉冲模式。单脉冲天线分为幅度及相位单脉冲两种形式。而平板天线构成的单脉冲天线属于相位单脉冲，为取得单脉冲信号通常把天线划分为四个象限，每个象限再分为若干个子阵列。四个象限的信号通过馈电网络形成“和”“差”信号，由于在工程实践中受重量体积的限制，天线设计中仅保证“和”波瓣按最佳设计。对“差”波瓣的副瓣电平一般不做要求。

采用泰勒线源法编程计算，取方位面ξ=-28dB、等副瓣数n=4，俯仰面ξ=-26dB、等副瓣数n=4，通过计算得到每个缝隙的激励电流分布。

平板裂缝天线需要采用天线的CAD设计。CAD设计采用了R.S.Eliott提出的有源导纳法，其方法涉及三个设计方程。利用缝隙激励电流，通过3个设计方程编程计算得到每个缝隙的缝长及缝隙的偏置。

通过利用Ansoft软件的HFSS建立3D模型。

图1　天线阵面3D模型

图1是利用Ansoft软件建立阵面和馈网3D模型，图2～图3是模型建立后用HFSS10.0进行优化仿真的平板天线方向图曲线。

图2　和路方向图

图3　差路方向图

3　设计结果

此Ku平板缝阵天线在整个工作频段范围内，要求天线和增益大于28Db，副瓣电平小于-25Db，差路零值深度小于-30Db，驻波系数均小于1.8。加工出来的实物产品通过在我公司安捷伦85301B近场测量系统对其性能进行测试，平板缝阵天线实测方向图见图4～图5，通过测试在整个工作频段该天线的性能指标均满足设计预期。

图4　和路方向图

图5　差路方向图

4　结束语

本文介绍了平板缝阵天线的设计过程。平板天线系统复杂，需要解决一系列的关键技术。如各缝隙之间的互耦的仿真计算、幅相误差的分析。超低副瓣技术、诊断及测试技术和天线波束的指向精度等，特别是一些大型的缝阵天线，必须借助Ansoft等仿真软件，这样既节约成本又缩短研制周期。文中对整个天线系统进行仿真分析，并做出实物用于工程中，仿真结果与实物比较吻合。

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