基于HFSS的H型天線的仿真設(shè)計(jì)

武警工程大學(xué)研究生管理大隊(duì) 王懷強(qiáng)

1 引言

目前，SAR基本上是工作在X波段及頻率更高的頻段，由于頻率過高，基本上不能穿透樹葉輻射探測(cè)[導(dǎo)師論文]。而UHF波段的SAR輻射的電磁波具有很強(qiáng)的穿透繞射能力，能穿透土壤、樹林等障礙物，探測(cè)地下目標(biāo)的效果較好，是SAR研究的熱點(diǎn)[1]。由于UHF波段頻率較低，所對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)較長(zhǎng)，按照常規(guī)的線面天線的設(shè)計(jì)，天線的尺寸較大，無法應(yīng)用到飛機(jī)平臺(tái)上。因此，研究低剖面、重量輕的天線逐漸成為國(guó)內(nèi)外機(jī)載天線的研究熱點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的H形天線是雙面印制天線，采用快速集成電路的共面波導(dǎo)金屬絕緣半導(dǎo)體工藝，將厚度極小的金屬薄片分別印刷在介質(zhì)基板的正反兩面，所以兩個(gè)天線基本一樣、形狀均是“H”形。該天線剖面低，容易與飛機(jī)平臺(tái)做到共形。

2 H型天線理論

天線的尺寸和介質(zhì)的介電常數(shù)對(duì)天線性能的影響很大，天線的寬度幾近于λ/10，高度接近于λ/5時(shí)，改變天線的寬度以及饋電點(diǎn)的位置，可以讓天線工作在一個(gè)寬頻帶內(nèi)。與設(shè)計(jì)其他UHF天線一樣，在設(shè)計(jì)這種天線時(shí)，需要模擬一個(gè)金屬地板上，存在鏡像效應(yīng)，才能提高增益，拓展帶寬、改善駐波比[2,3]。

2.1 H形天線的饋電結(jié)構(gòu)

為了防止繞射帶來的理論設(shè)計(jì)誤差，采用一種加大外導(dǎo)體外徑的辦法，即在饋電點(diǎn)和地面之間增加一段不連續(xù)性硬同軸線，其特性阻抗不等于50歐姆。使天線與饋線達(dá)到阻抗匹配，同時(shí)屏蔽了饋線存在的輻射干擾。硬同軸線的一端與傳輸線相連，另一端的內(nèi)導(dǎo)體與天線相連接，外導(dǎo)體則與饋線邊緣相近。圖1為天線的T形饋電結(jié)構(gòu)。

圖1 T形饋電結(jié)構(gòu)

通過延長(zhǎng)同軸線內(nèi)導(dǎo)體來給輻射體的兩個(gè)無限薄金屬板饋電，外導(dǎo)體則與天線垂直的金屬平面地板連接，為了保證對(duì)輻射體饋電的對(duì)稱性，應(yīng)加裝平衡器。軟同軸線的特性阻抗為50Ω，當(dāng)同軸線直接在H形天線凹槽底部饋電時(shí)，天線的特性阻抗對(duì)饋電點(diǎn)特別敏感，此時(shí)天線的輸入阻抗值 隨頻率變化，在工作頻帶的低頻端，天線的電抗部分較大。此時(shí)，天線的駐波值起伏較大，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

H形天線的底部并不接地，而是與金屬地板間留有一定的間隙，此間隙可等效為一并聯(lián)電容，它將影響H形輻射體在中部饋電點(diǎn)的輸入阻抗。在理想的情況下，天線兩端的電流應(yīng)為零。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明位于天線底端的電流不為零，原因是底部與地面存在分布電容。通過調(diào)整天線與地面之間的距離變化可改變天線底端分布電容的影響。

2.2 繞射場(chǎng)的影響

外導(dǎo)體接地后，內(nèi)導(dǎo)體有一段長(zhǎng)度被孤立延伸出來，與靠近饋電區(qū)的天線底邊產(chǎn)生散射，從而在金屬貼片的底部激勵(lì)起二次電流。特別是當(dāng)采取中饋的方式時(shí)，饋電點(diǎn)距接地板較遠(yuǎn)，使得同軸內(nèi)導(dǎo)體延長(zhǎng)成為一次輻射體。H形貼片天線變成了該輻射體的頂加載，對(duì)天線性能影響很大。

當(dāng)在饋電點(diǎn)位于天線輻射體的中部時(shí)，電流I沿金屬貼片和同軸線內(nèi)導(dǎo)體進(jìn)入天線中部，高頻電流在金屬貼片的周圍產(chǎn)生的繞射電磁場(chǎng)，可以表示為：

3 天線仿真設(shè)計(jì)

Ansof t HFSS軟件是一種通用的高頻結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，其高效、準(zhǔn)確的仿真分析，贏得了許多微波工程師的青睞，被廣泛地應(yīng)用在微波器件的仿真設(shè)計(jì)中。本文利用HFSS軟件仿真設(shè)計(jì)H型天線，并對(duì)天線的主要性能進(jìn)行分析。

天線的H形貼片長(zhǎng)設(shè)置為18.9cm，寬設(shè)置為10cm，H型凹槽設(shè)置為3.5cm，寬設(shè)置為3.3cm。天線的結(jié)構(gòu)是在介電常數(shù)為2.7的H型介質(zhì)基板的兩面鍍上金屬薄片，介質(zhì)基板的厚度設(shè)置為0.14cm，天線的饋電點(diǎn)位于天線的中部，饋線的外導(dǎo)體半徑設(shè)置為0.7cm，長(zhǎng)度設(shè)置為為4.2cm，饋線的內(nèi)導(dǎo)體的半徑設(shè)置為0.1cm，長(zhǎng)度設(shè)置為4.4cm，加大的同軸線外導(dǎo)體外徑的半徑為1.5cm，外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體之間填充介電常數(shù)為2.1的Tef l on材料，延長(zhǎng)內(nèi)導(dǎo)體到天線的中部饋電，掃頻范圍為200－800MHz，中心頻率設(shè)計(jì)為350MHz，迭代12次。H形天線的仿真模型如圖2所示。

圖2 H形天線仿真模型

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 外圈長(zhǎng)度對(duì)工作帶寬的影響

圖4 外圈長(zhǎng)度對(duì)增益的影響

由上圖可以得知T形阻抗變換器的L2等于0.15cm時(shí)，天線的增益為2.6186dB，工作帶寬為178MHz，仿真結(jié)果符合機(jī)載天線的基本要求。

4 結(jié)束語

本文分析了飛機(jī)平臺(tái)上的UHF天線的要求，利用HFSS仿真設(shè)計(jì)了一款H型天線，并對(duì)天線的饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出了天線的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明天線的性能符合機(jī)載天線的基本要求。

[1]盧曉鵬,張玉梅,倪華.一種用于機(jī)載SAR的UHF波段超寬帶天線[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2004,2(1).

[2]J.J.Lee,S.Livingston,R.Sauer,G.Crandall.A UHF Wide-Band SAR Antenna.IEEE Phased Array Systems and Technology Proceedings,2000:437-440.

[3]李萍,梁昌洪,等.UHF雷達(dá)天線饋源的研究[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2004,31(2).