1、 基于 HFSS 矩形微带阵列天线的设计与优化 靳振龙， 许莹莹 摘要： 根据微带天线的辐射原理，本文设计了一款工作频率在 24GHz 的矩形微带阵列天线。利用 Ansoft 公司的 HFSS13.0 进行了建模并对其进行仿真，通过主要的结构参数分析对天线进行了有效的优化。实测结果表明，该阵列天线在24GHz 频段上获得超过 3%的相对带宽 ， 副瓣电平低于 -15dB, 增益 可达到 10dB。 关键字： 微带天线； HFSS；副瓣电平；带宽；增益 引言 微带天线是二十世纪七十年代发展起来的一种新型天线。其具有低剖面、体积小、重量轻和易于与载体共形等优点，因而在移动通信、卫星通讯、导弹遥测、
2、多普勒雷达等许多领域获得了广泛的应用。由于实际应用需要，往往要求天线具有较高的增益和较强的方向性等特点，而单个微带天线辐射元的增益和方向性又很难达到要求，为此微带天线通常采用天线阵列的形式 ，由馈电网络控制 天线阵列 的激励幅度和相位，以获得低损耗、高增益、强方向性等特点。 Ansoft 公司推出的 HFSS 软件因其准确的计算和强大的仿真功能，已成为天线设计业内人士必备的工具之一。本文利用 HFSS 设计了一款 1 18 的直线型微带阵列天线，并对阵列单元进行仿真和实现天线阵列整体性能的优化。同时计算了该天线阵的增益、输入驻波比等参数。 一 微带天线的基本介绍以及辐射原理 目前，由于分析微带
3、天线的方法不同，对它的物理结构以及辐射原理有不同的理论。这里为简单起见以矩形贴片微带天线为例。 1 矩形微带天线的结构 图表 1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射源的长度 L、辐射元 的宽度 W、介质层的厚度 h、介质的相对介电常数 损耗正切 、介质的长度 LG 和宽度 WG。图 2 所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的。 图表 2 微带线馈电方式 图表 1 微带天线的结构 2 矩形微带贴片天线的辐射原理 图表 2 所示，场在宽度和厚度方向上是常数，变化仅出现在贴片长度向上，其场分布图如图 表 3-2(a)所示。相对于接地板两端
4、的电场可分为的切向分量和法向分量，因水平分量方向相同，产生的远区场会相互叠加；法向分量方向相反，产生的远区场会相消。据此分析可知，矩形微带贴片可以等效为两个激励方向相同、向地板以上半空间辐射并且辐射距离为 的两个缝隙，如图 表 3-2(b)。 2/h 辐 射 缝 隙 2/ wl(a)等效辐射场图 (b)辐射场分布图 图 表 3-2 矩形微带贴片天线的辐射原理 二 矩形微带天线 单元 的设计以及馈电方式的选择 1 矩形微带贴片天线参数 根据矩形微带贴片天线的辐射原理，可以设计矩形微带贴片天线单片的参数。本文设计的矩形微带贴片天线工作于 ISM 频段，中心频率为 24GHz；交通测速雷达，汽车变道
5、辅助系统，水位计，汽车 ACC 雷达巡航系统等均可工作在该频段。选用的介质材料为，其相对介电常数 3.5，介质板厚度 h=0.254mm。 1.1 单元宽度 W 的确定： 120122rcW f 式 1-1 式中 c 是光速， 0f 是中心频率 。 1.2 单元长度 L 的确定： 式 1-2 式中 e 为有效介电常数 0 . 3 / 0 . 2 6 40 . 4 1 2 0 . 2 5 8 / 0 . 8eeWhL Wh 式 1-3 12111 1 222rre hw 式 1-4 1.3 介质基板尺寸的确定： gLLG 2.0 式 1-5 gWWG 2.0 式 1-6 2 馈电方式的选择 馈电
6、方式在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。矩形微带贴片天线有两种馈电方式，一种是同轴探针馈电，又称背馈，另一种是微带线馈电，又称侧面馈电。同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高增益微带阵列天线。本文选用基于微带线的嵌入馈电，如图 表 4 所示。图表 4 嵌入馈电微带贴片天线 在微带线嵌入馈电时，嵌入的长度将决定了输入阻抗的大小。因此，为实现50 阻抗匹配，由公式 可求得嵌入的长度 y0。 0 0 1/ 2 222er ecLLfLLL 表 格 1 给出天线设计所需各项参数数值 。 表格 1 各项参数数值 参数 h(mm) L(mm) W(mm) LG(mm) WG(m
7、m) y0(mm) Wf(mm) r 数值 0.254 3.3 4.166 4.7 5.5 0.9156 0.573 3.5 三 利用 HFSS 进行单片贴片的模拟仿真和优化 1 建模计算 基于以上参数，可以很快建立出微带贴片天线的模型人，如图表 5 所示，模型采用的求解方式为终端驱动（ Driven Terminal），对 Port 的激励方式采用Lump-port,设置求解频率为 24GHz，然后添加扫频，采用快速扫频模式，运行 HFSS 进行仿真求解， 得到图表 6 所示 S11 扫频曲线。由报告可知，按该尺寸设计出的微带天线谐振在 23.623.7GHz 之间，与期望的中心频率 24G
8、Hz相比，存在一定的误差。需要进行优化设计，使天线谐振频率落在 24GHz上。 图表 5 矩形微带天线模型 图表 6 S11 扫频曲线 2 优化 根据理论分析可知，矩形微带天线的谐振频率主要由微带贴片的长度决定，贴片长度的尺寸越小频率越高。使用参数扫描分析功能进行参数扫描分析，分析谐振点随着贴片长度 L 的变化关系，然后进行优化设计，使天线的谐振频率点落在 24GHz。定义长度参数的扫描范围为 3.23.4mm，生成如图表 7 所示的一组S11 曲线报告图，每根 S11 曲线对应不同的 L 变量值。当 L=3.24mm 时，谐振点约在 24GHz。 图表 7 不同 L 对应的 S11 曲线图
9、将 L 设定为 3.24mm，仿真分析完成后，参看优化后的天线的各项参数。 图表 8 S11参数的 Smith 圆图结果 图表 9 E 平面增益方向图 四 微带天线阵列设计 由于天线是一种用来发射和接收电磁波的装置，在一般情况下，由单个发射器构成的天线就可以完成发射和接收电磁波的任务。但在一些特殊应用中，往往要求天线具有很大的方向性和很高的增益，有时还要求天线波瓣可以扫描，并且有一定的形状，等等。这时就需要利用许多辐射器，按一定方式排列为天线阵列。辐射器叫做单元。排列在一条直线上的阵列，叫做线阵。排列在一个平面上的阵列，则为平面阵。 在将天线单元进行扩展组阵时，要依据所要求 的方向图或者天线的
10、其他指标来合理 控制各 单元 的幅度、相位、间距及天线阵的阵元数。本设计要求微带天线阵列具有较高的增益以及尽量小的尺寸，便于集 成化，因此直线阵作为 一个独立阵列必须要首先考虑。 我们最后设计的微带天线阵列的如图表 10 所示。 图表 10 矩形阵列天线结构图 相应的增益和驻波比图形如图 表 11、图 表 12 所示。可以看出，在应用阵列并优化之后，增益可达到 10dB， VSWR2 时的带宽 BW=1.1GHz，相对带宽达到了 3%。由此可见，阵列方法不仅满足了要求，而且达到了非常满意的效果，充分体现出阵列的优势。 图表 11 微带阵列天线的 增益图形 图表 12 微带阵列天线的驻波比 图形 结语 在充分考虑到节约成本和降低制作难度的情况下，对微带贴片天线阵列进行设计，不仅大大提高了贴片天线的性能，而且得到了令人满意的结果。使方向增益提高到 10dB，当系统的谐振频率为 24GHz 时，相对带宽达到了 3%。而且，可以根据不同需要，把阵列设计为 N 18 单元等各种形式。另外， HFSS 作为一款高频电磁场仿真软件，由于其强大的功能，大大简化了阵列设计的过程，提高了工作效率，成为高频领域工作者强有力的设计工具之一。
