HFSS天线论 NSOFT HFSS天线设计论文 43

140 Ansoft2004 年用户通讯 X 波段波导缝隙全向天线的仿真设计波段波导缝隙全向天线的仿真设计 成玲玲 倪文俊 蒋凡杰 中国电子科技集团公司第 51 研究所 上海 201802 摘 要摘 要 波导缝隙天线的严格解计算复杂 对于缝隙的诸多参数很难确定 本文用 Ansoft HFSS 9 2 电磁仿真软件对所设计的波导缝隙全向天线进行建模 计算分析 并进行参数扫描 得到了优化的尺寸 参数 根据该尺寸进行样品加工和测试 测试结果和仿真值相当吻合 关键词 关键词 波导缝隙全向天线 Ansoft HFSS 电磁仿真 一 引言 一 引言 X 波段水平极化全向天线常用作雷达信标天线 应用场合相当广泛 其实现方法主要有圆波导开槽 同轴线型裂缝槽 扁波导缝隙天线等形式 其中扁波导缝隙天线最具特点 它采用窄边极窄的矩形波导 在宽边上开几对互相相对排列的纵 向并联裂缝 即双面缝隙 其结构简图如图 1 该天线具有体积小 重量轻 结构简单 成本低的特点 短路端面 a 馈电口 图 1 波导缝隙全向天线形式及尺寸 天线的主要尺寸参数有 波导宽边尺寸 a 窄边尺寸 b 缝隙长 L 缝隙宽 w 缝隙偏离波导宽边中心线距离 t 缝隙间 距 p 以及最后一对缝隙离波导顶端短路面的距离 D 波导缝隙全向天线属于由驻波激励的谐振缝隙阵 对于这类天线的设计计算方法 诸多文献均有论述 1 2 但参考 文献中对缝隙导纳的计算公式均是基于常规单面波导缝进行的 当用于扁波导双面缝隙时 存在一定偏差 以往设计时 通常要经过大量的调试测试工作 才能最终确定天线尺寸参数 设计周期长 研制成本高 调试工作量大 所以必须要寻 求新的设计方法 Ansoft HFSS 是基于有限元方法的高频电磁场仿真分析软件 能对任意三维结构的电磁场进行分析计算 并能得出特 性阻抗 S 参数 辐射场 天线方向图等结果 HFSS 9 还具有参数化建模 参数扫描分析 优化等功能 适合于天线等 电磁问题的求解 本文利用 HFSS 9 2 进行波导缝隙全向天线的仿真设计 并根据设计结果进行了样品加工和电性能测试 二 仿真设计方法 二 仿真设计方法 本文所设计的波导缝隙全向天线工作于 X 波段 用作雷达信标天线 其主要技术指标为 工作频率 9200 9500MHz 天线增益 6dBi 极化形式 水平极化 电压驻波比 1 8 1 水平面方向图 全向 不圆度 1dB 垂直面波瓣宽度 20 根据指标要求 选择 3 对缝隙 先根据常规设计计算方法算出天线的初始尺寸 用 Ansoft HFSS 9 2 软件进行仿真设 计 得出优化的尺寸参数 并根据该参数加工样品和实际测试 具体过程如下 Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 141 1 确定初始尺寸确定初始尺寸 波导选择标准扁波导 其尺寸为 a 22 86mm b 1 6mm 在中心频率上 各个隙缝长度都处于谐振状态 缝隙中心间距 P 约为 g 2 mmP cg 7 22 2 1 2 2 缝隙长度 L 约为 2 为工作波长 L 16mm 缝隙宽度 w 和缝隙偏离波导宽边中心线的距离 t 根据参考文献的计算方法 取初始值 w t 3mm 图 2 用于 HFSS 仿真设计的天线模型 最后一对缝隙距波导终端短路面处的距离约 g 4 即 D 11 4mm 2 建模建模 初始尺寸确定后 由 Ansoft HFSS 9 进行建模 建模时采用参数化建模 方法 以便参数扫描分析和优化 模型如图 2 端口用 wave port 定义 3 参数分析参数分析 图 3 天线实物照片 建模完成以后根据 HFSS 软件使用步骤 依次完成求解设置 参数扫描 分析设置 后处理设置等工作 直至得出天线在各种尺寸参数下的驻波 方向 图 增益等解 选择其中最优的一组解确定天线的尺寸 最终确定尺寸参数为 w 2 4mm t 1 2mm L 16mm P 22 2mm D 11 2mm 根据该尺寸加工的天 线样品如图 3 4 仿真结果与实测数据比较仿真结果与实测数据比较 样品加工好后 我们对其电性能进行了测试 图 4 给出了仿真和实测的驻波曲线 图 5 和图 6 分别给出了中心频率 f0 9350MHz 时水平面方向图和垂直面方向图的仿真曲线和实测曲线 两个边频 f 9200MHz 和 f 9500MHz 时的方向 图也进行了对比 这里没有列举 图 4 天线仿真驻波曲线和实测驻波曲线 Partners In Design 142 Ansoft2004 年用户通讯 图 5 天线水平面方向图仿真曲线和实测曲线 图 6 天线垂直面方向图仿真曲线和实测曲线 将实际测量的天线驻波曲线与仿真结果比较 两者吻合得相当好 在实际天线的馈电端 为便于测试 我们加入了端 馈式波导同轴转化器 说明该波导同轴转换器的性能也不错 实测方向图与仿真结果比较发现 两者的形状 垂直面方向 图 3dB 波瓣宽度 水平面方向图的不圆度等在各频点都能够很好地吻合 只是旁瓣电平略有差别 但旁瓣电平往往与天线 测试环境有较大关系 表 1 是仿真与实测的方向图不圆度 3dB 波瓣宽度和增益对照表 可以看出仿真结果与实测结果相当接近 这进一 步证明了仿真计算的正确性 表 1 仿真与实测的波瓣宽度和增益对比 水平面方向图不圆度 垂直面方向图波瓣宽度 增 益 dBi 频 率 MHz 仿真值 实测值 仿真值 实测值 仿真值 实测值 9200 0 33dB 0 55dB 25 5 25 8 6 5 6 3 9350 0 32dB 0 62dB 26 0 26 2 6 6 6 4 9500 0 34dB 0 63dB 26 0 25 9 6 6 6 4 三 结 论 三 结 论 水平极化的波导缝隙全向天线具有体积小 重量轻 结构简单 造价低的优点 可用作雷达信标天线和超高频广播电 视信号发射天线 本文应用 Ansoft HFSS 9 2 软件仿真设计了一个 X 波段波导缝隙全向天线 并将实际测试结果与仿真结 果进行了对比 对比表明测试结果与仿真结果相当吻合 而且均达到了技术指标要求 这样 大大缩短了天线研制周期 节约