ANSYS 2011中国用户大会优秀论文 1 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 ANSYS 2011中国用户大会优秀论文 2 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2.2rε=，厚度h=0.245的介质基片。根据参考文献[1]，考虑f0=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。 ANSYS 2011中国用户大会优秀论文 3 2.2 馈电网络设计 馈电网络设计的主要任务是保证各阵元所要求的激励振幅和相位，比便形成所要求的方向图，主要要求是阻抗匹配、损耗小、频带宽和结构简单。天线阵中各单元同幅同相，为达到这一要求，必须使到各单元的馈线等长。但馈线等长时，波速指向与频率无关，所以频带宽度主要取决于阻抗匹配的频带。为此，必须使馈线与贴片单元和馈线各接头做到良好的匹配。本设计中采用由T型结构组成的等幅同相的馈电网络[4-5]。
2.2.1 T型接头 首先是T型接头的设计。根据传输线理论，将并接的两段特性阻抗均为Z1的馈线通过阻抗变换器匹配到特性阻抗为Z2的馈线，中间的阻抗变换器长度为工作波长的四分之一，
阻抗变换器的特性阻抗012/2ZZZ=×。为了补偿T型接头的不连续参量，可以在主线上（分支线的对面）开个三角槽。因为微带天线单元馈线宽度为0.238mm，特性阻抗为94Ω，
为了设计简便，令Z1=Z2。阻抗变换器的宽度为0.466mm，特性阻抗为70Ω，长度为1.54mm，三角槽的底角25θ=o，腰的长度为0.507mm。此外考虑到微带贴片单元馈电点在非辐射边的边缘，当组成阵列时，如果直接用简单组合的型接头馈电网络为每个阵元馈电，将会导致型接头馈电网络的馈电点与阵元距离太近甚至重合，而影响微带贴片阵元的辐射方向图。因此，为了保证阵元的间距，减少馈电网络与阵元之间的耦合，将馈电网络稍作改进[6]。
2.2.2 馈电网络 利用上述T型接头，组成2×2阵列的等幅同相馈电网络，馈电网络结构及仿真结果如图3所示。其中对于2×2阵列馈电网络，工作频率为35GHz时，对于端口1，反射系数S11为-20dB，比单个T型接头增大了5dB，说明阻抗匹配情况有待进一步改善。传输系数S21、S31、S41、S51分别为-6.2dB，-6.3dB，-6.5dB，-6.5dB。对于更大的阵列，如4×4阵列由4个2×2阵列组成，以次类推。
（a）结构图 （b）S参数特性 ANSYS 2011中国用户大会优秀论文
4 图3 2×2阵列馈电网络及仿真结果 2.3 天线阵列设计 在Ka波段微带天线设计中，运用Ka波段的微带矩形贴片单元构成2×2、4×4、16×16等面阵形式，分析其阻抗特性及方向图中的增益、波束宽度、旁瓣等是否满足设计要求。其中阵元间距取约00.8λ（在仿真中单元间距取7mm）。
2.3.1 2×2阵列仿真 仿真中的阵列结构如图4所示。天线使用微带线馈电，馈电端口的S11仿真结果如图5所示。结果表明S11具有与单个天线单元相近的谐振频率。但是由于馈电网络匹配的影响，该阵列的反射比单个天线单元大。
图4 2×2阵列结构图 图5 2×2阵列S11 对于方向特性， 2×2阵列方向图仿真结果如图6所示。由于馈电网络关于XZ面具有不对称性，再考虑单元本身不对称性，导致YZ面的旁瓣增益明显高于XZ面。
（a）XZ面方向图 （b）YZ面方向图 ANSYS 2011中国用户大会优秀论文
5 图6 2×2阵列方向图 2.3.2 4×4阵列天线方向图仿真 仿真中的阵列结构如图7所示。天线使用微带线馈电，馈电端口的S11仿真结果如图8所示。结果表明S11具有与单个天线单元相近的谐振频率。对于方向特性， 4×4阵列方向图仿真结果如图9所示。
图7 4×4阵列结构图 图8 4×4阵列S11 （a）XZ面方向图 （b）YZ面方向图 图9 4×4阵列方向图 2.3.3 16×16阵列天线方向图仿真 考虑16×16阵列（尺寸约为120mm×120mm），直接进行仿真需要较多的资源。作为解决方案，本设计利用4×4阵列作为子阵，根据方向图乘法得16×16阵列方向图如图10所示。