毫米波圆极化介质复合波导缝隙阵列 天线的HFSS设计

ANSYS 2011中国用户大会优秀论文

毫米波圆极化介质复合波导缝隙阵列天线的HFSS设计

刘吕昕]

[闫丕贤埇

[北京理工大学信息与电子学院，北京 100081]

[ 摘要 ] 本文利用ANSYS HFSS设计了一种工作于毫米波段的介质复合波导缝隙天线阵列，在介质覆铜板加工出缝隙并与波导槽复合形成辐射结构，利用HFSS软件仿真并分析缝隙导纳，泰勒加权

实现阵列综合。设计平面和差网络实现天馈系统一体化，利用介质覆铜板加工出圆极化栅，并

利用HFSS对整体天线进行了仿真调试。仿真结果与实物测试结果基本一致，验证了软件仿真

的准确性和设计的可行性。该天线成本低、一致性高、圆极化性能好，同时可以改善传统波导

缝隙天线成品率低、成本高和工作带宽窄的缺点，并将工作频带展宽至700MHz。

[ 关键词] ANSYS HFSS，毫米波，圆极化，波导缝隙天线

A Design of MMW Circular Polarization Dielectric

Complex Waveguide Slot Array Antenna in HFSS

[YAN Pixian, LIU Yong, LV Xin]

[School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081] [ Abstract ] In this paper, a dielectric complex waveguide slot array antenna was studied by ANSYS HFSS, working in MMW-band. The radiating structure was formed by etching a slot in the

copper which covered on the substrate composited with rectangular groove guide, then take

a simulation and analysis of the slot admittance by software, combined with the array

comprehension of HFSS. For the integration of antenna and feed network, compact

structure was designed with a sum-difference network includes a flat magic T, and circular

polarization grid machined with micro-strip substrate. Physical test results are basically

consistent with the simulation results. The antenna offered advantages such as low cost,

high consistency, circular polarization performance. It also improved the traditional

waveguide slot antenna from low yield and high cost.

[ Keyword ] ANSYS HFSS;MMW; circular polarization; waveguide slot array antenna

1前言

作为一种常用毫米波天线，波导缝隙天线加工成本高、成品率低。基于印刷缝隙的介质复合波导缝隙天线是将开缝的介质覆铜板复合到波导槽上，保有传统波导缝隙天线辐射效率的同时，还具有一致性好、生产工艺简单、成品率高、成本低等优点。有学者对覆介质的波导缝隙特性进行了一些辐射特性分析[1-2]，加工实物的有单条复合缝隙阵[3]。本文

ANSYS 2011中国用户大会优秀论文

利用ANSYS HFSS 仿真软件的精确计算功能，设计仿真并制作一种毫米波圆极化介质复合波导缝隙天线，通过编写阵列加权算法进行激励分布计算[4]，并主要利用仿真软件HFSS 对缝隙导纳进行提取并拟合曲线。基于天馈系统一体化、一维波束和差的目的，利用HFSS 设计了包含平面魔T 的一维和差网络。通过总结已有设计经验[5, 6]，设计一种基于介质覆铜板的极化栅，可覆盖于天线表面实现圆极化。经过实物测试，天线于毫米波段工作性能良好：工作频带内水平维和波束副瓣电平低于-18dB ，俯仰维3dB 波束宽度超过±15°，差波束零深25dB ，右旋圆极化增益约22dBi ，3dB 波束范围内轴比小于5dB 。仿真结果与实测结果一致。

2 介质复合波导缝隙天线理论

2.1 天线结构

本文涉及一种介质复合波导天线，其辐射结构如图1所示，采用介质覆铜板加工缝隙

代替传统波导的开缝宽边。与传统波导宽边开缝的天线相比，介质复合波导相当于在缝隙表面覆盖一层介质，对于缝隙以及波导腔体结构都具有保护作用。

2.2 波导宽边纵缝单元分析

如图2(a)所示，波导宽边纵缝单元等效为并联的导纳，其导纳数值与波导尺寸、工作

频率、纵缝的偏置以及长度等参数有关。引入介质覆盖后，导纳公式相应改变，有文献对覆介质波导缝隙的导纳特性进行研究，但其计算繁复且仍需要仿真验证。本文直接采用HFSS 建立覆介质波导纵缝单元，通过仿真提取导纳并拟合曲线的方式对其对应关系进行研究。

3 利用HFSS 软件设计阵列天线

3.1 设计阵列

图1

介质复合波导结构

图 2 (a)单个波导宽边纵缝等效电路 图 2 (b)谐振式宽边缝隙阵等效电路