x波段波導(dǎo)縫隙全向天線的仿真設(shè)計

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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)計成玲玲倪文俊蔣凡杰（中國電子科技集團公司第51研究所上海201802）摘要：波導(dǎo)縫隙天線的嚴(yán)格解計算復(fù)雜，對于縫隙的諸多參數(shù)很難確定。本文用AnsoftHFSS9.2電磁仿真軟件對所設(shè)計的波導(dǎo)縫隙全向天線進行建模、計算分析，并進行參數(shù)掃描，得到了優(yōu)化的尺寸參數(shù)。根據(jù)該尺寸進行樣品加工和測試，測試結(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)用場合相當(dāng)廣泛。其實現(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，它采用窄邊極窄的矩形波導(dǎo)，在寬邊上開幾對互相相對排列的縱向并聯(lián)裂縫（即雙面縫隙）。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。該天線具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點。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的諧振縫隙陣。對于這類天線的設(shè)計計算方法，諸多文獻均有論述[1][2]。但參考文獻中對縫隙導(dǎo)納的計算公式均是基于常規(guī)單面波導(dǎo)縫進行的，當(dāng)用于扁波導(dǎo)雙面縫隙時，存在一定偏差。

3、以往設(shè)計時，通常要經(jīng)過大量的調(diào)試測試工作，才能最終確定天線尺寸參數(shù)，設(shè)計周期長、研制成本高、調(diào)試工作量大。所以必須要尋求新的設(shè)計方法。AnsoftHFSS是基于有限元方法的高頻電磁場仿真分析軟件，能對任意三維結(jié)構(gòu)的電磁場進行分析計算，并能得出特性阻抗、S參數(shù)、輻射場、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題的求解。本文利用HFSS9.2進行波導(dǎo)縫隙全向天線的仿真設(shè)計，并根據(jù)設(shè)計結(jié)果進行了樣品加工和電性能測試。二仿真設(shè)計方法本文所設(shè)計的波導(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對縫隙，先根據(jù)常規(guī)設(shè)計計算方法算出天線的初始尺寸，用AnsoftHFSS9.2軟件進行仿真設(shè)計，得出優(yōu)化的尺寸參數(shù)，并根據(jù)該參數(shù)加工樣品和實際測試。具體過程如下。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，各個隙縫長度都處于諧振狀態(tài)，縫隙中心間距P約為λg/2。λ2?λ?1?????λg?λc

5、?P===22.7mm22縫隙長度L約為λ/2，λ為工作波長，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)參考文獻的計算方法，取初始值w=t=3mm。最后一對縫隙距波導(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進行建模，建模時采用參數(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.天線實物照片4.仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)比較樣品加工好后，我們對其電性能進行了測試。圖4給出了仿真和實測的駐波曲線，圖5和圖6分別給出了中心頻率f0＝9350MHz時水平面方向圖和垂直面方向圖的仿真曲線和實測曲線。兩個邊頻f-＝9200MHz和f+＝9500MHz時的方向圖也進行了對比，這里沒有列舉。圖4.天線仿真駐波曲線和實測駐波曲線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測曲線圖6.天線垂直面方向圖仿真曲線和實測曲線將實際測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，在實際天線的饋電端，為便于測試，我們加入了端饋式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)化器，說明該波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的性能也不錯。實測方向圖與仿真結(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試環(huán)境有較大關(guān)系。表1是仿真與實測的方向圖不圓度、3dB波瓣寬度和增益對照表，可以看出仿真結(jié)果與實測結(jié)果相當(dāng)接近，這進一步證