基于HFSS的Ka波段微带阵列天线仿真

1、 1前言Ka波段微带天线是指工作频段在26-40GHZ,波长范围在l.ll-0.75cm的微带天线。鉴于Ka频段具有可用带宽宽、干扰少、设备体积小等优点，Ka波段天线在空间方面主要应用于卫星通信。在全球信息基础设施中，Ka波段卫星发挥着至关重要的作用，能够向最终用户提供各种经济实惠的实时网络服务,例如高速互联网接入、远程教育、远程诊断以及电视娱乐等。因此，Ka波段天线具有不可替代的重要作用。而Ka波段微带天线以其重量轻、剖面小、设计灵活、成本低廉且易和MIC、MMIC等电路相集成等优点应用于各种通信系统，并且已广泛应用于军事领域，例如雷达、导弹制导、引信等方面l-3。目前，Ka波段微带天线在空

2、间方面主要应用于卫星通信、飞机上的通信及警报设备、飞船与地面的通信等。另外，在宇宙空间方面主要应用于资源探测。在地面应用主要针对地面通信或对空中飞行物的定位、定向等。例如地面无线通信、飞机测高、机场管理、环境监测、汽车防撞雷达医疗设备、卫星电视接收等。本文对Ka波段微带天线进行仿真设计，对微带天线单元、T型接头的微带天线阵列天线进行了分析，仿真了天线S参数和方向图等特性。2微带阵列天线仿真设计2.l天线单元设计利用HFSS仿真设计微带天线单元。选取天线结构如图1所示。使用RogersRT/duriod5880介电常数r二2.2，厚度h=0.245的介质基片。根据参考文献1,考虑f35.125G

3、Hz,且取得低极化电平的限制为W/L=1.5，故先选取W=3.8mm,L=2.6mm。微带馈线特性阻抗选择为94Q，馈线宽度为0.238mm。馈电位置选择在微带贴片的边缘位置馈电。图1微带天线单元18Dec2009AnsoftCorporation10219XYRIotlHFSSDesign2finitegroundnnnY1QdBS(LumpPxt1,LuSetup!:Sweep155-10.00-/E/J-20.QO-/j-30.00-/V40.Q0_33?0034.boF35.eqboGH36.DO37.图2微带天线单元S11仿真结果微带贴片单元S11仿真结果如图2所示，从图中可以看出当

4、前的微带天线单元在34.2GHz35.6GHz范围内满足S11-10dB，带宽为1.4GHz；谐振频率为34.88GHz。2.2馈电网络设计馈电网络设计的主要任务是保证各阵元所要求的激励振幅和相位，比便形成所要求的方向图，主要要求是阻抗匹配、损耗小、频带宽和结构简单。天线阵中各单元同幅同相，为达到这一要求，必须使到各单元的馈线等长。但馈线等长时，波速指向与频率无关，所以频带宽度主要取决于阻抗匹配的频带。为此，必须使馈线与贴片单元和馈线各接头做到良好的匹配。本设计中采用由T型结构组成的等幅同相的馈电网络4-5。T型接头首先是T型接头的设计。根据传输线理论，将并接的两段特性阻抗均为召的馈线通过阻抗

5、变换器匹配到特性阻抗为z2的馈线，中间的阻抗变换器长度为工作波长的四分之一，阻抗变换器的特性阻抗Z=pZxZ/2。为了补偿T型接头的不连续参量，可以在主线上（分支线的对面）开个三角槽。因为微带天线单元馈线宽度为0.238mm,特性阻抗为940，为了设计简便，令Z=Z2。阻抗变换器的宽度为0.466mm,特性阻抗为700，长度为1.54mm，三角槽的底角9二25。，腰的长度为0.507mm。此外考虑到微带贴片单元馈电点在非辐射边的边缘，当组成阵列时，如果直接用简单组合的型接头馈电网络为每个阵元馈电，将会导致型接头馈电网络的馈电点与阵元距离太近甚至重合，而影响微带贴片阵元的辐射方向图。因此，为了保

6、证阵元的间距，减少馈电网络与阵元之间的耦合，将馈电网络稍作改进6。馈电网络利用上述T型接头，组成2X2阵列的等幅同相馈电网络，馈电网络结构及仿真结果如图3所示。其中对于2X2阵列馈电网络，工作频率为35GHz时，对于端口1,反射系数S11为-20dB，比单个T型接头增大了5dB,说明阻抗匹配情况有待进一步改善。传输系数S21、S31、S41、S51分别为-6.2dB,-6.3dB,-6.5dB,-6.5dB。对于更大的阵列，如4X4阵列由4个2X2阵列组成，以次类推。(a)结构图18Dec2009AnsoftCorporation15:15:19XYPIotlHFSSDesign7finite

7、groundcut2_cut7点nnY1QdBS(LumpP(xt4.lSetup1:Sweep1Y1IdBS(LumpPort4.lSetup1:Sweep1-10.00-Y1dBS(LumpPort4.lSetup1:Sweep1Y1-dB(SLumpPort4.lSetup1:Sweep1L-15.00Y1VdBS(LumpPort4.lSetup1:Sweep1-20.00-_-.-25.003313034.boFr35.eqboGhZ36.bo37.b)S参数特性图32X2阵列馈电网络及仿真结果2.3天线阵列设计在Ka波段微带天线设计中，运用Ka波段的微带矩形贴片单元构成2X2、4X

8、4、16X16等面阵形式，分析其阻抗特性及方向图中的增益、波束宽度、旁瓣等是否满足设计要求。其中阵元间距取约0.8(在仿真中单元间距取7mm)。2.3.12X2阵列仿真仿真中的阵列结构如图4所示。天线使用微带线馈电，馈电端口的S11仿真结果如图5所示。结果表明S11具有与单个天线单元相近的谐振频率。但是由于馈电网络匹配的影响，该阵列的反射比单个天线单元大。15:32:18dBSLunipPMt4.LSetup1:Sweep1AnsoftCorporationXYPIotlHFSSDesign62_2finintegroundnnnFreqGHz图52X2阵列S11对于方向特性，2X2阵列方向图

9、仿真结果如图6所示。由于馈电网络关于XZ面具有不对称性，再考虑单元本身不对称性，导致YZ面的旁瓣增益明显高于XZ面。a)XZ面方向图b)YZ面方向图图62X2阵列方向图2.3.24X4阵列天线方向图仿真仿真中的阵列结构如图7所示。天线使用微带线馈电，馈电端口的S11仿真结果如图8所示。结果表明S11具有与单个天线单元相近的谐振频率。对于方向特性，4X4阵列方向图仿真结果如图9所示。馈点、图74X4阵列结构图图84X4阵列S11rb(dB(S(LumpPori4x4領金:TablTb(dB(S(LumpPori4x4实际：TableAnsoftCorporationXYPlotlHFSSDesi

10、gn2a）XZ面方向图b）YZ面方向图图94X4阵列方向图2.3.316X16阵列天线方向图仿真考虑16X16阵列（尺寸约为120mmX120mm）,直接进行仿真需要较多的资源。作为解决方案，本设计利用4X4阵列作为子阵，根据方向图乘法得16X16阵列方向图如图10所示。18Dec200923:15:49dB(GainTotal)Setupl:LastAde1623:16:28dB(GainTotal)Setupl:LastAde50.00-【qp二一4S01U一Eomp25.00-0.00-25.00-50.00.AnsoftCorporationXYPIot2HFSSDesign64_4f

11、ininteground【qp二Jsoluwomp40.0020.000.0020.00-40.00-60.00AnsoftCorporationXYPIot3HFSSDesign64_4finintegrounda）XZ面方向图（b）YZ面方向图图1016X16阵列方向图3结论本文主要利用HFSS对Ka波段微带天线单元、T型接头及几种面阵S11进行了仿真,得到比较理想的仿真结果。在仿真的过程中，我们发现HFSS是一种非常实用的电磁仿真软件，绘制天线结构时极其方便，仿真的结构很接近理想化。最突出的是它所具有的参数化分析功能，极大地方便了软件的使用者。参考文献田晓英.Ka波段微带天线设计D.学位论文.南京理工大学.2008.蓝桥龙.毫米波微带天线研究D.学位论文.电子科技大学.2006.F.Lalezari，C.D.Massey.MM-WaveMicro