基于Ansoft HFSS 的圆极化微带共形阵天线设计

   【摘要】本文提出了一种圆极化微带共形阵天线的设计方法。利用先进的三维电磁场仿真软件Ansoft HFSS v12 建立了单元天线以及共形阵天线完整的仿真模型，并进行了仿真与优化设计，最终得到了满足技术指标要求的天线结构参数。在此基础上，加工了共形阵天线的实验样机，并对其主要电性能进行了实测。测量结果与仿真结果吻合较好，表明所设计的微带共形阵天线圆极化性能良好，且具有H 面全向辐射特性，进而可用于工程实践中。通过整个设计过程验证了本文中所提出设计方法的合理性，同时也体现了Ansoft HFSS v12 作为高频电磁场仿真工具的有效性和实用性。

    1 引言

    所谓共形阵天线[1]，是指附着于载体表面且与载体贴合的阵列天线，即需要将阵列天线共形安装在一个固定形状的表面上，从而形成非平面的共形天线阵。在现代无线通信系统中，共形阵天线由于能够与飞机、导弹以及卫星等高速运行的载体平台表面相共形，且并不破坏载体的外形结构及空气动力学等特性，成为天线领域的一个研究热点。微带天线具有平面结构，剖面低、易共形，且组阵时馈电网络可与辐射单元一体设计[2]。因此，在共形阵天线设计领域微带天线具有无可比拟的优势，微带共形阵天线也大量的应用于各种载体平台上[3]。

    相比于平面阵天线，共形阵天线的分析与综合更为复杂。一般地，对共形阵天线的综合并不仅仅是对其方向图的综合，而且在设计的初始阶段就要考虑共形阵列天线的形状、阵列单元的形式以及其分布等问题。另外，在设计中还要考虑共形载体以及单元间互耦效应对阵列以及阵列单元的谐振频率、带宽和极化等性能的影响。因此，共形阵列天线的设计是一个复杂的系统问题，对该问题很难有一个严格而精确的解决方法，通常采用数值分析方法进行研究。目前，常用的数值分析方法主要有基于积分方程的矩量法（MOM）及其快速算法，基于微分方程的时 域有限差分法（FDTD）和有限元法（FEM）等。然而，对共形阵天线矩量法的分析，通常是采用与载体平台共形的坐标系中的格林函数，这种方法的确很有用，但是对于复杂的平台分析的 难度很大。Ansoft HFSS 软件核心算法是有限元法，不存在上述局限，因而其在分析任意形状共形阵天线方面具有很高的可实现性和准确性[4]。

    Ansoft HFSS v12 以前的版本中，微带共形阵天线的建模过程比较复杂。当共形载体形状比较复杂或者阵列天线馈电网络级数较多时，不易对共形阵天线进行整体建模。有幸地是，在Ansoft HFSS v12 版本中增加了新的曲面共形建模方法，即 wrap sheet 建模方法。采用这种方法可以将平面的二维图形卷曲到三维载体表面，从而使共形建模的操作更加方便。基于此，本文提出了一种圆极化微带共形阵天线的设计方法。利用Ansoft HFSS v12 建立了单元天线以 及共形阵天线完整的仿真模型，并进行了仿真和优化设计。整个设计过程既简便又灵活，而且省时省力。另外，加工了共形阵天线的实验样机并对其主要电性能进行了实测，验证了本文中 所提出设计方法的合理性。

    2 圆极化微带共形阵天线设计

    圆极化微带共形阵天线的设计主要是从给定的天线技术指标入手，选取合理的微带单元天线形式并进行仿真分析。在此基础上，设计满足指标要求的阵列天线馈电网络（功分网络），进而进行整阵仿真分析。在共形阵设计过程中，主要用到“wrap sheet”建模方法将带有馈电网络的平面阵列整体共形于圆柱形载体平台表面，从而对整个共形阵进行优化设计，以得到满足技术指标要求的共形阵天线结构参数。

    2.1 天线技术指标

    （1）工作频率： GPS L1 频段，中心频率 1.575GHz； 
    （2）电压驻波比：VSWR ≤ 1.5 ； 
    （3）极化方式： 右旋圆极化； 
    （4）天线方向图：H 面：全向，E 面：定向，8字形； 
    （5）输入阻抗：50 Ω； 
    （6）外 形： 与给定的圆柱形载体表面相共形，且圆柱体直径218mm。

    2.2 单元天线设计

    如图1 的仿真模型所示，采用单馈点切角的正方形微带贴片形式来设计所要求的单元天线。这种单元通过切角产生微扰元来实现圆极化，其具体结构如图2 所示。设计中，通过调节切角尺寸，可以优化单元天线轴比性能。由于在贴片边缘阻抗并不是纯电阻，结合单枝节匹配原理， 引入了一个匹配枝节对其阻抗进行调节，以保证馈电端输入阻抗为纯电阻。另外，将馈线弯折处理便于实现小型化。

图1 单元天线仿真模型

图2 单元天线结构示意

    选用相对介电常数2.55，厚度1mm 的柔性介质基板。单元的馈电采用和微带辐射贴片共面的微带馈线，以达到阵列天线与馈电网络一体化设计的目的。通过仿真优化，最终得到了单元天线的结构尺寸如表1 所示，且单元天线馈电端输入阻抗为67Ω 纯电阻。

表 1 单元天线结构尺寸（单位:mm）

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