基于HFSS的Ka波段微带阵列天线仿真设计

作者：夏景    来源：ANSYS 2011中国用户大会优秀论文

摘要： 微带天线由于其重量轻、剖面小、易共形、设计灵活、成本低且易和等电路相集成等优点得到 了越来越广泛的应用，比如导弹制导、雷达、卫星通信等方面。毫米波波长介于微波和红外之 间，因而其特性也在一定程度上介于两者之间，如适中的分辨率及良好的烟尘穿透性，因此在 某些情况下可以完成微波和红外均难以完成的任务。本文主要对Ka 波段微带天线单元、T 接 头和拐角、2×2 面阵和4×4 面阵进行仿真，主要工作有：（1）设计天线单元，对单元S11 参数进行仿真；（2）设计T 型接头，仿真S11、S21 等参数；（3）仿真2×2 面阵和4×4 面阵的S11 参数、方向图等特性。此外，利用4×4 面阵的方向图结果和HFSS 的Antenna Array Setup 分析16×16 的面阵方向图。

1. 前言

Ka 波段微带天线是指工作频段在26-40GHz，波长范围在 1.11-0.75cm 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[1-3]

目前，Ka 波段微带天线在空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

2.1 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Rogers RT/duriod5880 介电常数ε r = 2.2 ，厚度h=0.245 的介质基片。根据参考文献[1]，考虑f0=35.125GHz，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94Ω ，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。

微带贴片单元S11 仿真结果如图2 所示，从图中可以看出当前的微带天线单元在34.2GHz～35.6GHz 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]。

2.2.1 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Z1 的馈线通过阻抗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Zo  = 。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94Ω ，为了设计简便，令Z1=Z2。阻抗变换器的宽度为0.466mm，特性阻抗为70Ω ，长度为1.54mm，
三角槽的底角θ = 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]。

利用上述 T 型接头，组成2×2 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2×2 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4×4阵列由4 个2×2 阵列组成，以次类推。

图3 2×2 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2×2、4×4、16×16 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 0.8λo（在仿真中单元间距取7mm）。

2.3.1 2×2 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。

对于方向特性， 2×2 阵列方向图仿真结果如图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。

图6  2×2 阵列方向图

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， 4×4 阵列方向图仿真结果如图9 所示。

图 9  4×4阵列方向图

2.3.3 16×16 阵列天线方向图仿真

考虑 16×16 阵列（尺寸约为120mm×120mm），直接进行仿真需要较多的资源。作为解决方案，本设计利用4×4 阵列作为子阵，根据方向图乘法得16×16 阵列方向图如图10所示。

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]
[1] 田晓英.Ka 波段微带天线设计[D].学位论文.南京理工大学.2008.
[2] 蓝桥龙.毫米波微带天线研究[D].学位论文.电子科技大学.2006.
[3] F.Lalezari，C.D.Massey.MM- Wave Microstrip Antennas[J]. Microwave Journal.1987，（4）：87-99.
[4] 谢处方，邱文杰.天线原理与设计[M].第1 版.西安:西北电讯工程学院出版社，1985.
[5] I.J 鲍尔，P.布哈蒂亚著，梁联悼，寇廷耀译.微带天线[M].第1 版.北京:电子工业出版社，1984.
[6] 张钧，刘克诚，张贤铎，赫崇骏.微带天线理论与工程[M].第1 版.北京:国防工业出版社，1988.