HFSS天线论 NSOFT HFSS天线设计论文 15

44 Ansoft2004 年用户通讯 应用 Ansoft Ensemble 设计赋形波束 应用 Ansoft Ensemble 设计赋形波束 微带天线阵列的研究 微带天线阵列的研究 肖疆 朱敏慧 范景云 中国科学院电子学研究所 北京 100080 摘要 摘要 本文设计了适合某工程需要的赋形波束微带天线阵列 首先利用天线阵列综合理论分别对天线 的两个主平面进行理论综合 接着借助于 ANSOFT 公司的 Ensemble 电磁仿真软件 对阵列进行了仿真 仿 真结果与预计要求的指标一致性较好 满足了实际工程的要求 关键词关键词 微带天线 阵列技术 Ansoft Ensemble 仿真 Abstract A microstrip antenna array with shaped beam pattern was designed in the paper First the exciting coefficient was gotten through the array synthesis technology of the two principle planes of the radiation pattern then the antenna was simulated using the microwave software EnsembleEnsemble The two results was agreed well and meet the need of the project of engineering Keyword Microstrip antenna array technology Ansoft Ensemble simulated 一一 概述 概述 微带天线单元及其阵列以其重量轻 体积小 价格便宜易于制造特别是易于共形和微带电路集成等优点 所以从一提 出得到的很高的重视 在全球定位系统 GPS Global Position System 轻便雷达系统 移动通讯等中经常选用的一种天线形 式是微带天线 可用充分体现微带天线的优点 微带天线单元可以很好的实现激励幅度和相位调节 并且改变单元的间距 也可以实现相位差别 有很大的自由度 适合我们的工程需要 本文先利用天线阵列理论综合技术 设计出适合某工程需要的赋形波束方向图的微带天线阵列 总共有 140 5 28 个单元组成 接着利用 Ansoft 的 Ensemble 电磁仿真软件 Ensemble 运用矩量法 MOM 对电磁场进行全波建模分析 微 带天线阵列分别进行了建模和仿真实现 仿真结果与预计要求的指标一致性较好 可以满足实际工程的要求 二二 阵列综合过程 阵列综合过程 天线的综合就是在给定要求的天线辐射方向图或方向性参数时 设计天线或阵列单元数目 单元之间的距离 单元的 电流的振幅和相位分布以及单元形式特性 根据工程需要 天线阵列的方向图在距离向要求赋形波束 方位向方向图为笔 形 而且波束宽度必须满足分辨率要求 这样我们可以分别对两个面进行综合 2 1 赋形平面的综合 赋形平面的综合 Woodward Lawson 离散直线阵综合理论 离散直线阵综合理论 Woodward Lawson 综合法是通过给定方向图适当的选用一些抽样点 设法使这综合的方向图在这些抽样点上与给定 的方向图完全一致 对于抽样点以外的方向图形状不作要求 这种方法最常用的 这里通过 Woodward Lawson 综合法找出 阵列激励幅度和相位的初始值 然后利用优化理论进行进一步的优化 得到更好的激励 设直线阵中第m个抽样电流为Im对应的位置为Zi其这样电流表达式为 mi jkZm im e N I zI cos 其中Im是第m个抽样电流的幅度 N是天线单元数目 m 是抽样点 这样可以得到整个天线阵列的电流分布 设第i个单元的激励电流为Ii 所以抽样线源产生的方向图为 M Mm jkZm M Mm imi i e N I zII cos Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 45 cos cos 2 cos cos 2 sin m m mm kd N kd N IS 其中d单元间距 根据上式 抽样方向的最大值等于抽样电流Im 最大方向出现在处 这样可以得到整个阵列的 方向图 直接各个抽样方向图之和就是 即 m cos cos 2 cos cos 2 sin m m m M Mm M Mm m kd N kd N ISS 显然 抽样方向图的最大值取决于抽样电流的振幅Im 最大方向取决于抽样点的位置 如果适当的选择抽样点 使第m个抽样点的方向图在时为最大值 并且等于给定方向图 m m m f 在该方向的的函数值 即令 m f mmm fIS 而其余所有抽样方向图在该方向均为零 则合成方向图在各抽样点上都与给定方向图完全一致 在抽样点 第 m 个抽样函数为最大值 其余各抽样函数为零 或者说 除第 m 个抽样点外 所有抽样函数的抽样点 最 大值点 应该处于第 m 个函数的零点 第 m 个抽样函数的第 K 个零点出现在 不失一般性 设第零个抽样函数的最大点 即 m 0 时 第零个抽样函数的第 K 个零点为 当 m mi m Lk mk coscos 2 0 2 0 Lk k cos 0 m时 第 m 个函数的抽样点由决定 则 Lm m cos Lm m cos 1 相应的抽样间隔定义为两个相邻抽样点之间的间隔 即 L mm coscos 1 其中 L 为天线阵列的长度 为波长 m 的最大值为 int L M 根据要求在 24 度的波束范围方向图增益下降 5dB 线性变化 得出各个天线阵列单元的电流激励幅度与相位 结果如 下表 1 距离向 5 个单元激励 单元数单元数 幅度幅度 相位 度 相位 度 1 2 4000 164 23 2 3 8249 161 13 3 2 8908 155 69 4 0 6649 119 79 5 1 0000 0 2 2 笔形波束的综合笔形波束的综合 根据能够提供的空间和要求波束宽度 副瓣电平 增益大小来综合要求的单元激励幅度与系数 28 个单元可以满足 要求 这里就忽略不讲 有兴趣的读者可以参考文献 5 相关章节 三三 仿真实现与结果分析 仿真实现与结果分析 利用上面综合的数据 先对距离向 5 个单元进行了微带天线的实现 选用口径耦合微带天线单元 如图 1 然后组 成阵列 天线的 Ensemble 几何模型见图 2 图 3 为综合方向图和仿真结果 两者比较吻合 通过补偿 基本上可以满足工 程的需要 Partners In Design 46 Ansoft2004 年用户通讯 图 1 口径耦合微带天线单元示意图 图 2 5 个单元阵列与其串联馈电网络 80 60 40 20020406080 40 30 20 10 0 G degree theta degree simulated synthetized 图 3 理论综合和 Ensemble 仿真出来的赋形平面方向图比较曲线 下面对整个天线进行设计 方位向方向图要求为笔形 波束比较窄 同样利用 Ensemble 进行仿真 得到天线的表面 电流 如图 4 还有天线的驻波比曲线 如图 5 和天线两个主平面的方向图 如图 6 从图中的结果可以看出整个要求 的频段阻抗带宽满足要求 方向图波束宽度也满足要求 表 2 给出了仿真结果和理论综合的要求的指标比较 可见两者比较接近 可以满足工程的需要 图 4 整个阵列天线表面电流仿真结果 Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 47 图 5 整个阵列的驻波比曲线 图 6 整个阵列天线增益方向图 表 2 软件仿真结果和理论要求指标 天线指标 仿真结果 理论要求 赋形波束宽度 24o 4 6dB 24 o 5 0dB 笔形波束宽度 2 94 o3 o 增益 22 1dBi 23 0 dBi 交叉极化电平 40 2dB 30 20B 11 6dB 距离向 12 0 dB 距离向 副瓣电平 20 0dB 方位向 20 0dB 方位向 四四 结论 结论 文中设计了适合某工程需要的赋形波束大型微带天线阵列 首先利用天线阵列综合理论分布对要求的两个主平面进行 理论综合 求出所要的单元激励系数 接着利用 Ansoft 的 Ensemble 软件仿真实现 仿真的结果和理论比较 有较好的一 致性 我们还对这里分析的天线子阵列进行了制作 并且进行了测试结果与软件分析仿真的结果比较 吻合较好 具体的 比较结果 由于一些原因这里不便给出 这说明了 Ansoft 的 Ensemble 软件具有数学模型正确 计算精度高等优点 给我 们工程设计微带天线提供