x波段波導(dǎo)縫隙全向天線的仿真設(shè)計(jì)

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1、-140-Ansoft2004年用戶通訊X波段波導(dǎo)縫隙全向天線的仿真設(shè)計(jì)成玲玲倪文俊蔣凡杰（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第51研究所上海201802）摘要：波導(dǎo)縫隙天線的嚴(yán)格解計(jì)算復(fù)雜，對(duì)于縫隙的諸多參數(shù)很難確定。本文用AnsoftHFSS9.2電磁仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的波導(dǎo)縫隙全向天線進(jìn)行建模、計(jì)算分析，并進(jìn)行參數(shù)掃描，得到了優(yōu)化的尺寸參數(shù)。根據(jù)該尺寸進(jìn)行樣品加工和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果和仿真值相當(dāng)吻合。關(guān)鍵詞：波導(dǎo)縫隙全向天線、AnsoftHFSS、電磁仿真一引言X波段水平極化全向天線常用作雷達(dá)信標(biāo)天線，應(yīng)用場(chǎng)合相當(dāng)廣泛。其實(shí)現(xiàn)方法主要有圓波導(dǎo)開槽、同軸線型裂縫槽、扁波導(dǎo)縫隙天線等形式。其

2、中扁波導(dǎo)縫隙天線最具特點(diǎn)，它采用窄邊極窄的矩形波導(dǎo)，在寬邊上開幾對(duì)互相相對(duì)排列的縱向并聯(lián)裂縫（即雙面縫隙）。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。該天線具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)。a饋電口短路端面圖1.波導(dǎo)縫隙全向天線形式及尺寸天線的主要尺寸參數(shù)有：波導(dǎo)寬邊尺寸a,窄邊尺寸b,縫隙長(zhǎng)L,縫隙寬w,縫隙偏離波導(dǎo)寬邊中心線距離t,縫隙間距p,以及最后一對(duì)縫隙離波導(dǎo)頂端短路面的距離D。波導(dǎo)縫隙全向天線屬于由駐波激勵(lì)的諧振縫隙陣。對(duì)于這類天線的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，諸多文獻(xiàn)均有論述[1][2]。但參考文獻(xiàn)中對(duì)縫隙導(dǎo)納的計(jì)算公式均是基于常規(guī)單面波導(dǎo)縫進(jìn)行的，當(dāng)用于扁波導(dǎo)雙面縫隙時(shí)，存在一定偏差。

3、以往設(shè)計(jì)時(shí)，通常要經(jīng)過(guò)大量的調(diào)試測(cè)試工作，才能最終確定天線尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、研制成本高、調(diào)試工作量大。所以必須要尋求新的設(shè)計(jì)方法。AnsoftHFSS是基于有限元方法的高頻電磁場(chǎng)仿真分析軟件，能對(duì)任意三維結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，并能得出特性阻抗、S參數(shù)、輻射場(chǎng)、天線方向圖等結(jié)果。HFSS9還具有參數(shù)化建模、參數(shù)掃描分析、優(yōu)化等功能，適合于天線等電磁問(wèn)題的求解。本文利用HFSS9.2進(jìn)行波導(dǎo)縫隙全向天線的仿真設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了樣品加工和電性能測(cè)試。二仿真設(shè)計(jì)方法本文所設(shè)計(jì)的波導(dǎo)縫隙全向天線工作于X波段，用作雷達(dá)信標(biāo)天線，其主要技術(shù)指標(biāo)為：ò工作頻率：9200～9

4、500MHzò天線增益：≧6dBiò極化形式：水平極化ò電壓駐波比：≦1.8:1ò水平面方向圖：全向，不圓度≦±1dBò垂直面波瓣寬度：≧20°根據(jù)指標(biāo)要求，選擇3對(duì)縫隙，先根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法算出天線的初始尺寸，用AnsoftHFSS9.2軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，得出優(yōu)化的尺寸參數(shù)，并根據(jù)該參數(shù)加工樣品和實(shí)際測(cè)試。具體過(guò)程如下。PartnersInDesignAnsoft2004年用戶通訊-141-1.確定初始尺寸波導(dǎo)選擇標(biāo)準(zhǔn)扁波導(dǎo)，其尺寸為a＝22.86mm,b＝1.6mm。在中心頻率上，各個(gè)隙縫長(zhǎng)度都處于諧振狀態(tài)，縫隙中心間距P約為λg/2。λ2?λ?1?????λg?λc

5、?P===22.7mm22縫隙長(zhǎng)度L約為λ/2，λ為工作波長(zhǎng)，L=16mm。縫隙寬度w和縫隙偏離波導(dǎo)寬邊中心線的距離t，根據(jù)參考文獻(xiàn)的計(jì)算方法，取初始值w=t=3mm。最后一對(duì)縫隙距波導(dǎo)終端短路面處的距離約λg/4，即D=11.4mm。2.建模初始尺寸確定后，由AnsoftHFSS9進(jìn)行建模，建模時(shí)采用參數(shù)化建模方法，以便參數(shù)掃描分析和優(yōu)化。模型如圖2，端口用waveport定義。3.參數(shù)分析建模完成以后根據(jù)HFSS軟件使用步驟，依次完成求解設(shè)置、參數(shù)掃描分析設(shè)置、后處理設(shè)置等工作，直至得出天線在各種尺寸參數(shù)下的駐波、方向圖、增益等解。選擇其中最優(yōu)的一組解確定天線的尺寸。最

6、終確定尺寸參數(shù)為：圖2.用于HFSS仿真設(shè)計(jì)的天線模型w=2.4mm,t=1.2mm,L=16mm,P=22.2mm,D=11.2mm。根據(jù)該尺寸加工的天線樣品如圖3。圖3.天線實(shí)物照片4.仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較樣品加工好后，我們對(duì)其電性能進(jìn)行了測(cè)試。圖4給出了仿真和實(shí)測(cè)的駐波曲線，圖5和圖6分別給出了中心頻率f0＝9350MHz時(shí)水平面方向圖和垂直面方向圖的仿真曲線和實(shí)測(cè)曲線。兩個(gè)邊頻f-＝9200MHz和f+＝9500MHz時(shí)的方向圖也進(jìn)行了對(duì)比，這里沒(méi)有列舉。圖4.天線仿真駐波曲線和實(shí)測(cè)駐波曲線PartnersInDesign-142-Ansoft2004年用戶通訊圖

7、5.天線水平面方向圖仿真曲線和實(shí)測(cè)曲線圖6.天線垂直面方向圖仿真曲線和實(shí)測(cè)曲線將實(shí)際測(cè)量的天線駐波曲線與仿真結(jié)果比較，兩者吻合得相當(dāng)好，在實(shí)際天線的饋電端，為便于測(cè)試，我們加入了端饋式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)化器，說(shuō)明該波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的性能也不錯(cuò)。實(shí)測(cè)方向圖與仿真結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，兩者的形狀、垂直面方向圖3dB波瓣寬度、水平面方向圖的不圓度等在各頻點(diǎn)都能夠很好地吻合。只是旁瓣電平略有差別，但旁瓣電平往往與天線測(cè)試環(huán)境有較大關(guān)系。表1是仿真與實(shí)測(cè)的方向圖不圓度、3dB波瓣寬度和增益對(duì)照表，可以看出仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)接近，這進(jìn)一步證