HFSS仿真2×2矩形贴片天线阵

HFSS 仿真2×2线极化矩形微带贴片天线阵
微带天线以其体积小、重量轻、低剖面等独特的优点，在通信、卫星电视接收、雷达、遥感等领域得到广泛应用，它一般工作在100MHz-100GHz 宽广频域的无线电设备中，而矩形微带天线是微带天线最常用的辐射单元，它是一种谐振型天线，通常在谐振频率附近工作。

C 波段，是频率在4—8GHz 的无线电波，通常的上行频率范围为5.925—6.425GHz ，下行频率范围为3.7—4.2GHz 。

雷达天线具有将电磁波聚成波束的功能，定向地发射和接收电磁波。

本实验采用HFSS13.0设计了一款工作于C 波段中心频率在5.75GHz 的矩形贴片线极化微带雷达天线阵列，根据理论经验公式初步计算出矩形微带贴片天线的尺寸，然后在HFSS13.0里建模仿真，根据仿真结果反复调整天线的尺寸，对天线的结构进行优化，直到天线的中心频率为5.75GHz 为止。

1 单个侧馈贴片天线的仿真
1.1 矩形贴片天线的设计
导波波长g λ，矩形贴片天线的的有效长度e L 2/g e L λ= ， e g ελλ/0=
有效介电常数为e ε，r ε为介质的介电常数
2
11212
12
1-
⎪
⎭⎫
⎝
⎛+-+
+=
w h r r e εεε
矩形贴片的实际长度为L ， L=e L －2L ∆=e ελ2/0－2L ∆=
e
f c ε02－2L ∆
0f 天线的实际频率，L ∆微带天线等效辐射缝隙的长度
()()()()
8.0/258.0264
.0/3.0412
.0+-++=∆h W h W h
L e
e
εε
矩形贴片的宽度为W
2
10212-⎪⎭
⎫ ⎝⎛+=r f c W ε
基片尺寸取：
g L LG λ2.0+≥ ，g W WG λ2.0+≥
介质板材为Rogers RT /duroid 5880，其相对介电常数r ε=2.2，厚度h=2mm ，损耗角正切为0.0009。

在设计过程中，我们假设贴片、微带线的厚度t 与基片厚度相比可以忽略不计，即
005.0/≤h t ，在设计过程中，我们令t=0。

1.2 计算矩形贴片天线的尺寸
（1）矩形贴片的宽度
由C=3.0×108m/s, 0f =5.75GHz ，r ε=2.2，可以计算出矩形微带天线贴片的宽度。

W=0.02062m=20.62mm （2）有效介电常数e ε
把h=2mm ，W=20.62mm ，r ε=2.2代入，计算出有效介电常数。

e ε=2.17 （3）辐射缝隙的长度
把h=2mm ，W=20.62mm ，e ε=2.17代入，可以计算出天线的辐射缝隙的长度L ∆。

L ∆=1.01mm （4）矩形贴片的长度
把C=3.0×108m/s, 0f =5.75GHz ，e ε=2.17，L ∆=1.01mm 代入，可计算出天线矩形贴片的长度。

L=15.69mm
（5）参考地的长度LG 和宽度WG
把C=3.0×108
m/s, 0f =5.75GHz ，e ε=2.17代入，可算出导波波长g λ。

g λ=35.42mm LG=22.77mm WG=27.70mm
（6）估算天线的输入阻抗
由于介质板材Rogers RT /duroid 5880有一定的损耗，所以在计算微带天线的输入阻抗时，必须考虑介质损耗d G ，微带线造成的铜损忽略不计。

B
in G R 21=
， d m r a d B G G G 2
1+
=
⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=
)85.4cos(68.032.1)(1691)(9010202
0λλλL W W
G m
rad
)/1(tan 20ηδεπ∙=
e d h
W
G ，其中Ω=πη1200
代入数值计算，可求得：0λ=52.17mm ，m
rad G =3.17×10-3，d G =6.33×10-4，可得天线的输
入阻抗约为92Ω。

（7） 微带线的宽度w 计算 又由)48
ln(20h
w w
h Z Z e
f
+
=
επ
，其中f Z =120Ωπ，微带线与天线匹配时0Z =92Ω。

计算可得宽度1.7mm ，仿真时初始设置馈线距边的长度为3mm ，最终确定为3.85mm 。

（8） 微带馈线的设计
馈电端的阻抗为50Ω，欲使阻抗匹配，应使用4/λ阻抗变换器。

50920⨯=
Z =68Ω，计算可得微带线宽度为1.2mm ，4/0λ=13mm 。

50Ω时对应的微带
线宽度为0.68mm 。

故取贴片长度L=15.70mm ，宽度W=20.62mm ；介质层长度50mm ，宽度60mm ，厚度2mm ；接地板长度50mm ，宽度60mm ；真空腔长度90mm ，宽度100mm ，高度60mm 。

1.3 单个贴片天线的仿真结果
（1）单个贴片天线的设计模型
（2）反射系数S11仿真结果
可以看到，反射系数S11在5.75GHz时最小，为-22.5dB。

（3）三维增益方向图
（4）E平面方向图
（5）驻波比VSWR
结合方向图和驻波比曲线，可以看出，对于单帖片天线，天线的增益较小，约为7dB；带宽较大，以5.75GHz为中心频率，在约260MHz的范围内满足VSWR 2。

2 2×1侧馈贴片天线阵的仿真
λ阻抗变换器使之与50Ω的微带传输线匹2个50Ω的贴片天线并联，即为25Ω，用4/
配，而单个贴片天线微带馈线宽度由上述单个贴片天线的设计可知为0.68mm，此处仍与50Ω匹配，故末端馈线宽度仍为0.68mm。

此时的重点是设计T形头，结果优化仿真得T λ即12mm，宽为1.8mm；较窄微带线部分的宽仍为0.68mm。

此时优化后的贴形头长为4/
片天线长度为15.70mm，宽度为17.12mm。

匹配网络端口设计如下。

2.1 2×1贴片天线阵的设计模型
2.2 S11仿真结果
可以看到，天线的谐振频率为5.75GHz，反射系数为-14.5dB。

2.3三维增益方向图
由2×1矩形天线阵的三维方向图可以看出，其方向性相对于单个贴片天线增强，在o0
θ
=的方向辐射增强。

2.4 E平面方向图
2.4 驻波比VSWR
2⨯帖片天线阵列相对于单个贴片天线，天线的增
益增加，约为12.2dB；带宽有所减小，以5.75GHz为中心频率，在约140MHz的范围内满
足VSWR≤2。

3 2×2侧馈贴片天线阵的仿真
设计2组完全相同的2×1侧馈贴片天线阵连接，一般阵列之间的距离为0.75λ-0.8λ。

经过多次仿真，两阵元间的距离为44mm。

3.12×2贴片天线阵的设计模型
3.2S11仿真结果
可以看到，天线的谐振频率为5.75GHz，反射系数为-17dB。

结果表明，反射系数S11具有与单个天线单元、2×1矩形天线阵相同的谐振频率5.75GHz。

且有反射系数曲线可以看出，在中心频率5.75GHz两侧，S11变化迅速，方向性好。

3.3三维增益方向图
3.4 E平面方向图
由方向图可以看出，2×2天线阵的主瓣增益相对于单个天线单元、2×1矩形天线阵有明显的增强。

且主瓣宽度较小，存在旁瓣，但旁瓣较小。

3.5 驻波比
驻波比在谐振频率5.75GHz两侧约100MHz的频段内满足VSWR 2，符合要求。

4 设计总结
本实验利用HFSS13.0设计了一款工作于C波段中心频率在5.75GHz的矩形贴片线极化微带雷达天线阵列。

其设计的重难点是矩形贴片天线尺寸的确定，贴片天线T形头、天线阵列的匹配网络的设计。

通过由单个天线，到2×1天线阵，再到2×2天线阵的连续设计，先较粗略地计算出尺寸，再经过多次的优化仿真，得到了比较理想的结果。

最终得到的天线阵较单个天线方向性增强，辐射增益加大，但反射也有一定的加大，带宽有一定程度的降低，
总体而言，其性能得到了大幅的提高。