基于HFSS矩形微带天线阵的设计与优化

式1-3
L L 2L
e
0
/ r 2L
c 1 2L 2 f0 e
式1-4
1.3 介质基板尺寸的确定：
LG L 0.2 g WG W 0.2 g
式 1-5 式1-6
2 馈电方式的选择
馈电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 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。
一 微带天线的基本介绍以及辐射原理
目前，由于分析微带天线的方法不同，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。
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、 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。
图表 5 矩形微带天线模型
图表 6 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 3.2~3.4mm，生成如图表 7 所示的一组
WG(mm) 5.5
y0(mm) 0.9156
Wf(mm) 0.573
r
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 23.6~23.7GHz 之间， 与期望的中心频率 24GHz 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 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， VSWR<2 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 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 50Ω 阻抗匹配，由公式
可求得嵌入的长度 y0。
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 数 值
h(mm) 0.254
L(mm) 3.3
W(mm) 4.166
LG(mm) 4.7
图表 1 微带天线的结构
图表 2 微带线馈电方式
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)。
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
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。
/2
辐射缝隙
/2
w
h
l
(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：
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
c r 1 W 2 f0 2

1 2
式1-1
式中 c 是光速， f 0 是中心频率。 1.2 单元长度 L 的确定：
e
式中
r 1 r 1
2
h 1 12 2 w

1 2
式1-2
e 为有效介电常数
L 0.412
e 0.3W / h 0.264 e 0.258W / h 0.8