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，矩形贴片天线的的有效长度eL2/geL，eg/0有效介电常数为e，r为介质的介电常数211212121whrre矩形贴片的实际长度为L，L=eL－2L=e2/0－2L=efc02－2L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hWhWhLee矩形贴片的宽度为W210212rfcW基片尺寸取：gLLG2.0，gWWG2.0介质板材为RogersRT/duroid5880，其相对介电常数r=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/ht，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=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把h=2mm，W=20.62mm，r=2.2代入，计算出有效介电常数。e=2.17（3）辐射缝隙的长度把h=2mm，W=20.62mm，e=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=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=3.0×108m/s,0f=5.75GHz，e=2.17代入，可算出导波波长g。g=35.42mmLG=22.77mmWG=27.70mm（6）估算天线的输入阻抗由于介质板材RogersRT/duroid5880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dG，微带线造成的铜损忽略不计。BinGR21，dmradBGGG21)85.4cos(68.032.1)(1691)(90102020LWWGmrad)/1(tan20edhWG，其中1200代入数值计算，可求得：0=52.17mm，mradG=3.17×10-3，dG=6.33×10-4，可得天线的输入阻抗约为92。（7）微带线的宽度w计算又由)48ln(20hwwhZZef，其中fZ=120，微带线与天线匹配时0Z=92。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50，欲使阻抗匹配，应使用4/阻抗变换器。50920Z=68，计算可得微带线宽度为1.2mm，4/0=13mm。50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。22×1侧馈贴片天线阵的仿真2个50的贴片天线并联，即为25，用4/阻抗变换器使之与50的微带传输线匹配，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50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形头长为4/即12mm，宽为1.8mm；较窄微带线部分的宽仍为0.68mm。此时优化后的贴片天线长度为15.70mm，宽度为17.12mm。匹配网络端口设计如下。2.12×1贴片天线阵的设计模型2.2S11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的方向辐射增强。2.4E平面方向图由方向图可以看出，2×1矩形天线阵方向性较单个天线变好，增益也有所提高。2.4驻波比VSWR结合方向图和驻波比曲线，可以看出，12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。32×2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0.75-0.8。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3.4E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。