HFSS天线论 NSOFT HFSS天线设计论文 6

18 Ansoft2004 年用户通讯 HFSS 在反射腔天线设计中的应用在反射腔天线设计中的应用 熊 键 中国电子科技集团第二十九研究所 成都 610036 摘要 摘要 本文介绍了使用 HFSS 软件仿真设计的一种反射腔天线 该天线结构简单 加工容易 具有 方位面波束宽和增益高的特点 利用 HFSS 软件进行优化设计 节省了调试实验时间 将仿真结果与实测 结果进行对比 证明了仿真结果的正确性 关键字 HFSS 反射腔天线 仿真 关键字 HFSS 反射腔天线 仿真 Application of HFSS to Reflect Cavity Antenna Design Abstract Reflect Cavity Antenna design using HFSS is introduced Such kind of antenna has those characters such as simple structure easily manufactured wide beamwidth on azimuth and high gain Applying HFSS to design antenna can save much time for later calibration Comparison between the simulation results and actual experiment ones shows preciseness of the simulation Key words HFSS reflect cavity antenna simulation 一一 引言 引言 反射腔天线大约出现于七十年代初期 它是在背射天线基础上进一步实验研究而得到的一种高孔径效率的中等增益天 线 该天线具有纵向尺寸小 孔径效率高 馈电简单 低副瓣等优点 但是要严格的分析反射腔天线却比较困难 主要是 缺乏严格的理论依据 容易忽略腔体边缘的耦合效应和绕射场 不易找到提高增益与最佳腔深之间的关系等 HFSS 软件 的出现 使得设计这种天线变得简便快捷而准确 避免了烦琐的理论公式推导 省去了麻烦的调试步骤 通过对仿真模型 的优化改进 就可以设计出满足电气性能的天线 下面将介绍利用 HFSS 软件设计一个反射腔天线 通过比较仿真结果和实测结果 证明了该软件的准确性 整个设计 过程成本低 周期短 说明 HFSS 软件在天线工程设计中发挥了重要作用 二二 反射腔天线的设计 反射腔天线的设计 反射腔天线由激励振子与反射腔体所组成 其结构形式如图 1 所示 该天线的工作原理如同一个两次辐射源的组合 即在反射表面 A 的中心馈 源 F 和在 A 前面 WB 边缘辐射的结合 当馈源接通电流时 因耦合作用使腔 体被激励 而它的边缘如同一个两次辐射器 当腔深为最佳时 这个两次辐射 器在幅度和相位方面对于初级的馈源辐射最佳 由于它们的组合 在垂直反射 面表面的轴线上达到最大的方向性增益 合成的方向图是两个源各自方向图的 叠加 当两辐射源的最佳幅度在远场的分布处于同相时 所得增益最高 由于 反射腔天线是一高孔径效率的天线 其最大的优点就是 以较小的孔径尺寸 可获得较高的增益 它与一般的端射天线甚至背射天线相比 其尺寸要小得多 在某课题中 需要设计一个垂直极化 方位面波束较宽并且增益较高的天 线 选择反射腔天线作为基本的天线单元 为达到指标要求 采用的方法是把单元天线在俯仰面内进行组阵 把子阵的天 线方向图在俯仰面内压窄 而子阵具有较高的增益 图 1 反射腔天线示意图 WB A 2l H F DA Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 19 图 2 反射腔天线子阵外形图 使用 HFSS 软件进行仿真设计 得到了由两个反射腔天线组成的子阵 外形如图 2 为了满足指标要求 反射腔的大 小 腔的深浅 馈源的位置都做了多次修改 这在 HFSS 中是比较容易实现的 限于篇幅就不祥述 其中 中心馈源采用 的是印制偶极子 以便于加工 调试和减轻天线的重量 选用 mm1 聚四氟乙烯玻纤覆铜板作为基材 其相对介电常 数 r 2 6 作为馈源用的印制偶极子天线 由于安装位置和使用环境与孤立环境中偶极子不同 因此其印制电路部分的设 计需要精心调整 才能得到良好的驻波匹配 两种情况下的印制电路如图 3 所示 其中阴影部分为背面铜箔 a 孤立使用时的印制电路 b 作为馈源使用的印制电路 图 3 印制偶极子电路图 仿真模型的计算结果中得到了中心频率时子阵的远场方向图 见图 4 其中 b 中的红色线为方位面方向图 绿色线为 俯仰面方向图 a 立体方向图 b 方位面与俯仰面的方向图 图 4 反射腔子阵天线的方向图 Partners In Design 20 Ansoft2004 年用户通讯 三三 试验结果及对比 试验结果及对比 对于上述天线按照仿真优化得到的尺寸 制作了实际天线进行测试 测试结果见图 5 需要注意的是 在实际使用 时 需要使用一个 1 分 2 的功分器将反射腔天线在俯仰面组阵 而在 HFSS 中 只需要在后处理中同时激励两个端口即可 实现组阵 并且俯仰面方向图的测试范围为 90 90 因此图 5 b 与图 4 b 中的俯仰面方向图形状略有差异 但波束宽 度等主要电气指标是吻合的 而方位面的方向图可以看出是比较一致的 18012060060120180 60 40 20 10 70 Hm 1 180180 m 9060300306090 60 40 20 10 70 Ei 1 9090 i a 方位面实测方向图 b 俯仰面实测方向图 图 5 反射腔子阵天线的实测方向图 四四 结论 结论 通过对反射