8.4.4 HFSS 中天线阵的处理

    理论分析结果表明，由相同天线单元构成的天线阵的方向图等于单个天线单元的方向图与阵因子的乘积。其中，阵因子取决于天线单元之间的振幅、相位差和相对位置，与天线的类型、尺寸无关。

    在 HFSS 中，对于天线阵列问题的分析，用户在建模时可以只创建单个天线阵元的模型，然后通过周期性边界条件（如主从边界）和周期性激励方式（如Floquet 端口激励）的设置，以及天线阵元排列方式的构造来仿真计算整个天线阵列的性能参数，如天线阵列的方向图、方向性系数和增益等。HFSS 支持两种天线阵列类型：规则排列的均匀天线阵列（Regular Uniform Array）和用户自定义阵列（Custom Array）。

    1．规则排列的均匀天线阵列

    规则排列的均匀天线阵定义为同一平面上等距排列的等幅单元阵列，阵元之间的相位变 化可以由用户通过扫描角或者相位差来设定。

    在 HFSS 中，右键单击工程树下的 Radiation 节点，从弹出菜单中选择【Antenna Array Setup】命令，打开如图 8.24 所示的“天线阵列设置”对话框，选中 Regular Array Setup 单选 按钮，然后单击选择对话框的 Regular Array 选项卡，打开图 8.25 所示的界面，在此处可以设置规则排列的均匀天线阵列中阵元的排列方式。

图 8.24 “天线阵列设置”对话框 


图 8.25 “天线阵列设置”对话框

    在图 8.25 所示的对话框中，First Cell Position 栏是设置第一个阵元的位置坐标，图示值表示第一个阵元位于坐标原点；Directions 栏是设置阵元的排列方向，图示值表示U 向是沿着x 轴正向排列，V 向是沿着y 轴正向排列；Distance Between Cells 栏是设置阵元之间的间距，图示值表示 U 方向上阵元间距为0.5 英寸，V 方向上阵元间距为1.0 英寸；Number of Cells 栏是设置阵元的个数，图示值表示在U、V 方向上各排列 10 个天线单元；Scan Definition 栏 是设置阵元间的相位差，可以使用扫描角（Use Scan Angles）项设定，也可以直接使用相位 差（Use Differential Phase）项来设定，图示值表示使用扫描角来设定，且theta =0°、phi =30°。需要注意的是，此处指定的扫描角需要与主从边界或者Floquet 端口设置时指定的扫描角一致。 最后单击确定按钮，完成设置。

   2．用户自定义阵列

    用户自定义阵列允许用户使用文本文件自定义天线阵列的阵因子信息，并导入到 HFSS 软件中，然后 HFSS 根据式（8-4-15）计算阵因子。用户自定义阵列允许更大的灵活性，可以构造阵元在空间任意分布的天线阵列。 自定义阵因子的文本文件的格式如下：

其中，x_n、y_n 和 z_n 分别表示第 n 个阵元位置的 x、y 和 z 坐标，无须标注长度单位，使用当前设计默认的长度单位；A_n 表示第 n 个阵元的复加权值的幅度分量；P_n 表示第 n 个阵元的复加权值的相位分量。

    下面给出一个用户自定义阵列的例子加以说明。定义一个2*3 的方阵，阵元沿着 x、y 轴正向排列，沿 x 轴排列的间距为 0.6 个单位长度，沿y 轴排列的间距为 0.8 个单位长度，天线阵元的加权值都为1，则阵列的文本文件定义如下：

    有了定义阵列信息的文本文件后，使用如下操作步骤将其导入 HFSS 中。首先，在 HFSS 中，右键单击工程树下的 Radiation 节点，从弹出菜单中选择【Antenna Array Setup】命令，打开如图 8.26 所示的“天线阵列设置”对话框，在对话框的 Array Type 选项卡界面选中 Custom Array Setup 单选按钮；然后单击选择对话框的 Custom Array 选项卡，在 Custom Array 选项卡界面，单击按钮，从弹出的对话框中找到并导入编辑好的文本文件。 

图 8.26 导入自定义阵列文本文件

    注意：文本文件中自定义的天线阵列的位置坐标使用的是当前 HFSS 设计中默认的长度单位。例如，本例中 HFSS 设计使用的单位是mm，则文本文件定义的坐标位置也是使用 mm。而单击按钮查看导入的阵列信息时，图 8.27 所示的 Custom Array Definition 窗口默认使用SI 单位制，即长度单位使用 m，所以文本文件定义的0.6（单位：mm）在图 8.27 所示的窗口显示为 0.0006（单位：m）。

    导入阵列信息的文本文件后，单击对话框 Custom Array 选项卡界面的按钮，可以打开图 8.27 所示的 Custom Array Definition 窗口，查看导入的自定义阵列信息。

图 8.27 自定义阵列信息显示窗口