线极化微带天线阵列的设计(6)

第三章 线极化微带天线阵列设计及仿真 22

4.结构的本征模或谐振解。

HFSS提供了快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节，从电路到系统，甚至是部件级。借助软件，能够大大提高天线的设计效率，能很好地提高天线性能，减少设计误差，使我们能够更好更方便的理解和分析天线。

以下是利用HFSS对天线进行仿真的步骤： (1) 设置求解类型； (2) 创建天线的结构模型； (3) 设置边界条件； (4) 设置激励方式； (5) 设置扫频分析参数； (6) 运行分析仿真； (7) 查看运行结果；

(8) 优化设计，对天线参数达不到设计要求的相关机构或者尺寸进行调整、优化，得到符合设计要求的天线性能。

本次设计采用的是HFSS 18.0版本。

微带天线阵列设计方案是：阵元数选择为6个单元，馈电网络选择为3个一分二功分器和1个一分三功分器进行级联，最终产生等幅同相位的激励信号。

3.2 天线阵列单元仿真

首先确定介质基板材料为Roger RT/duroid 5880(tm), 相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度h为1.6mm。天线阵列单元设计过程如下：

23 线极化微带天线阵列的设计

1.计算微带贴片的尺寸：

微带天线贴片宽度w可由以下公式计算得出

w= （3-1）

式中 表示光速， 表示中心频率。

一般取贴片长度为 ， 为介质体内部的导波波长为：

（3-2）

式中的 是有效介电常数，由介质的相对介电常数 和介质基片厚度与贴片宽度w的比值共同决定，其关系式为：

（3-3）

实际中应考虑贴片的边缘缩短效应，所以实际微带贴片的长度应为： L= （3-4）

式中Δ 表示的是等效辐射缝隙长度，由 和贴片宽度w与基片厚度h的比值决定，关系式如下：

（3-5）

由于f=5.8GHz, 2.2，h=1.6mm，根据以上公式可以求得w=20.5mm， =2.18， =0.817mm，L=16.5mm。

表3.1 微带天线阵元设计基本参数表 工作频率

5.8GHz 第三章 线极化微带天线阵列设计及仿真 24

介质基片材料 介质基片厚度h 辐射贴片宽w 辐射贴片长L 2.馈电与阻抗匹配：

Roger RT/duroid 5880(tm) 1.6mm 20.5mm 16.5mm 选择最常用也是结构最简单的微带线馈电的方式，馈电点位于贴片边缘位置 的中心。馈线是50Ω的微带线，利用微带线计算工具，输入介质基片的介电常数、厚度、贴片的厚度、工作频率，可计算出50Ω微带线的宽度。

一般情况下微带天线的边缘阻抗为100Ω—400Ω，要与50Ω的微带馈线匹配，就需要在微带天线与馈线之间设计一个阻抗变换器，通常是一个长度为 波长的阻抗转换器。假设馈电点位置的输出阻抗为 ， 波长阻抗转换器的阻抗为 ，则阻抗匹配的条件为：

= （3-6）

式中 =50Ω， 与馈电点贴片边缘的距离有关，可根据相关公式求得。

微带天线单元的仿真模型如图3.1所示，天线单元的辐射贴片的尺寸约为0.5λ，首先设置天线辐射贴片的宽度为变量，并对辐射贴片的尺寸进行优化，图3.2给出了不同尺寸下，天线的S11随着频率的变化曲线，由图3.2可以看出，微带天线的长度约为16.5mm时，天线工作的中心频率约为5.8GHz。

图3.1 阵列天线单元仿真

25 线极化微带天线阵列的设计

图3.2天线的S11随频率变化曲线

图3.3和图3.4分别是阵列天线单元的3D辐射方向图和平面辐射方向图，由图可以看出，天线在5.8GHz 频点附近处的增益为8dB。

图3.3 3D辐射方向图 图3.4 平面辐射方向图

3.3 功分器仿真

为了将阵列天线单元进行组阵设计，需要设计功分馈电网络，首先设计一个中心频率为5.8GHz的一分二的等功率分配的T形功分器，然后根据阵列数将功分器进行级联。

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图3.5 一分二功分器仿真模型

一分二功分器的输出结果如图3.6所示，由图可以看出，功分器在频段4.58GHz-6.85GHz频段范围内S11 -20dB，匹配效果良好，S12，S13相等且约为-3.16dB，功率相等。

图3.6 一分二功分器仿真结果

3.4 馈电网络仿真

图3.7为馈电网络的初始仿真模型，只考虑网络的阻抗匹配的情况，没有考虑各个输出端口的相位情况，图3.8给出了馈电网络S参数，由图可以看出，馈电网络的匹配较优，在频段5.6GHZ-6GHz范围内，S11 -25, S12， S13， S14， S15， S16， S17，近似相等约为-8.25dB。

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