25 基于HFSS的Ka波段微带阵列天线仿真设计

ANSYS 2011中国用户大会优秀论文

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基于HFSS 的Ka 波段微带阵列天线仿真设计

[夏景]

[东南大学信息科学与工程学院，210096]

[ 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。

[ 关键词 ] Ku 波段、微带天线、HFSS

Simulation of Ka-band Microstrip Array Antenna by using

HFSS

[Xia Jing]

[School of information science and engineering, Southeast University, 210096]

[ Abstract ] As to the advantages of light weight, small profile, easy conformal, design flexibility, low cost

and easy to integrate the circuits, microstrip antenna has been more widely used, such as

missile guidance, radar, satellite communications, etc. Millimeter wavelength ranges

between microwave and infrared, so its characteristics are in between to some extent, such

as the moderate resolution and good penetration of smoke, so in some cases it can

complete the missions which microwave and infrared are difficult to accomplish. It is

researched for the simulation of Ka-band microstrip antenna element, T connectors and

corner, 2×2planar array, the main work are as follows: (1)Design the antenna element and

simulate the S11 parameters; (2)Design the T-joint bending position; (3)Analysis of S11

parameter for 2×2 array and 4×4 array. Moreover, using the result of the array direction

pattern of 4×4 array ，the antenna array of 16×16 array is studied using HFSS.

[ Keyword ] Ku band, Microstrip antenna, HFSS

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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/duriod 5880介电常数 2.2r ε=，厚度h=0.245的介质基片。根据参考文献[1]，考虑f 0=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。

图1 微带天线单元 图2 微带天线单元S11仿真结果 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 。