天线阵列仿真研究.docx

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天线阵列仿真研究

湖南文理学院

课程设计报告

课程名称：

专业综合课程设计

专业班级：

通信工程12101班学号（18号）

学生姓名：

陆颖

指导教师：

侯清莲

完成时间：

2015年6月25日

报告成绩：

评阅意见：

评阅教师日期

湖南文理学院制

目录

一、设计要求-3-

二、设计作用与目的-3-

三、所用设备及软件-4-

四、系统设计方案-5-

1、简要阐述系统工作原理-7-

2、系统总体设计-5-

五、系统软件设计-9-

六、仿真调试分析-10-

七、设计中的问题及解决方法-11-

八、通信系统学习心得-11-

九、参考文献-12-

天线阵列的研究及仿真

一、设计要求

微带阵列天线的馈电方式有微带线馈电和同轴馈电两种方式，本文利用HFSS软件对微带阵列天线进行了研究，分析了两种馈电方式的传输损耗及其对天线方向图的影响，利用模块化的设计方法实现了一种基于同轴线馈电结构的多元矩形微带阵列天线。

在HFSS仿真设计环境里对天线进行了物理建模，该微带阵列天线的方向图特性良好，工程上实现比较方便。

针对互耦影响导致的阵列天线合成效率低的问题，提出在阵列中添加辅助单元天线的方法，以减小互耦，提高辐射效率。

通过仿真对提出的方法进行验证，结果表明采用增加辅助单元天线的方法可有效提高阵列合成效率。

二、设计作用与目的

相控阵天线是在阵列天线基础上发展起来的一种新的天线体制和技术，其突出优点是增益高，能迅速准确地控制波束方向，波束无惯性，并且能在指定的空域内同时搜索和跟踪多个目标。

因此，相控阵天线在近几年得到迅速发展和广泛应用。

相控阵天线是根据口径场相位作线性变化时波束产生偏移的原因，用电子控制的方法改变阵列天线中各天线单元的辐射场相位，使波束进行扫描的。

当各天线单元按一定的规律排列成阵列时，阵列中天线单元表面电流分布会受到其周围天线单元表面电流分布不同于自由空间中的天线单元上的电流分布，由此降低了阵列天线合成效率，降低了阵列增益，这种影响效果称为阵列天线互耦效应。

因此，设计相控阵列天线实现所要求的技术指标。

本文通过对螺旋相控阵列天线的仿真研究，提出一种可有效减少阵列天线互耦效应的方法，并通过HFSS电磁仿真软件进行了验证。

阵列天线要在日益复杂的电子对抗环境中发挥作用，必须要有有效的电子对抗和反对抗措施。

在阵列天线系统中，天线的副瓣性能是很重要的。

特别是阵列天线的副瓣性能在很大程度上决定了雷达的抗干扰、抗反辐射导弹及抑制杂波等战术性能，它是天线系统的一个重要指标。

阵列天线是利用基带数字信号处理技术，产生空间定向波束，天线以多少个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，使天线主波束即最大增益点对准用户信号到达方向，从而给有用信号带来最大增益，有效的减少多径效应所带来的影响，同时达到对干扰信号删除和抑制的目的。

使用自适应阵列天线还能带来很多好处，如扩大系统覆盖区域、提高系统容量、提高数据传输速率、提高频谱利用效率、降低发射功率、减少信号间干扰与电磁环境污染等。

此外，采用智能化可变功率发射，不仅可以减小信号被截获的概率，还可以减小或避免对其他通信设备的干扰，有利于通信平台中各种通信设备的电磁兼容，从而以较小的代价获取较大的性能提高。

随着无线电技术的发展，微带天线在许多领域得到了越来越广泛的应用，主要应用场合包括：

卫星通信、多普勒雷达及其它制式雷达、导弹遥测系统、复杂天线中的馈电单元等。

微带天线通常采用天线阵列的形式，由馈电网络控制对天线子阵的激励幅度和相位，以获得高增益、强方向性等特点。

微带阵列天线的馈电方式主要有微带线馈电和同轴线馈电方式两种。

利用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因此可以方便地光刻，但缺点是损耗较大，在高效率的天馈系统里的应用受到较大限制。

本文首先对微带馈电网络产生的损耗进行了详细分析，利用HFSS软件设计了2×4结构的微带子阵，采用同轴馈电的方式，利用模块化设计方法和方向图叠加原理最终实现了4×24矩形微带阵列天线，仿真设计结果表明，该大型矩形微带阵列天线的各项指标参数良好，设计思想得到了很好的验证。

三、所用设备及软件

HFSS是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件，是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。

HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽。

绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。

使用HFSS可以计算：

基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；端口特征阻抗和传输常数；S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；结构的本征模或谐振解。

而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。

四、系统设计方案

1、简要阐述系统工作原理

阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。

阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和（矢量和）。

由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。

微带天线可采取矩形、圆形、三角形等贴片形状，他们各有其特点，但在设计制作大阵时，考虑到制版和微带线馈电及匹配等因素，一般采用矩形贴片阵元。

图1即为矩形天线单元结构图。

Vp

Lslot

Lp

vslot

Lfeed

dfeed

图1贴片单元结构图

设天线工作频率为f0，对介质基片厚度为h，相对介电常数为ξr矩形贴片，则贴片单元的尺寸计算如下：

设计中考虑到表面波损耗等因素，选取基板材料相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度h=0.254mm。

根据中心频率f0=24.10GHz，可得微带贴片阵元的尺寸为：

Wp=4.94mm，Lp=4.10mm。

最终经CST2010仿真软优化得到：

Wp=4.70mm，Lp=3.96mm，馈线宽度Lf=0.30mm，长度Lf=3.60mm。

图2是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成。

与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数 损耗正切 、介质的长度LG和宽度WG。

图3所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的

图3微带天线馈电方式

图2微带天线的结构

微带天线单元的增益较小，一般单个贴片单元的辐射增益只有6～8dB，为了实现远距离传输和获得更大的增益，尤其是对天线的方向性要求比较苛刻的场合，常采用由微带辐射单元组成的微带阵列天线，如果对增益要求较高，可采用大型微带阵列天线结构。

首先分析平面微带阵列天线的激励电流与电场分布情况，无论是线天线还是面天线，其辐射源都是高频电流源，天线系统将高频电流源的能量转换成电磁波的形式发射出去，讨论电流源的辐射场是分析天线的基础。

假设由若干相同的微带天线元组成的平面阵结构，建立三维坐标系分析阵列天线的场量分布情况。

以阵列的中心为坐标原点，天线在x轴方向和y轴方向的单元编号分别用m和n表示。

以原点天线单元为相位参考点，为了简化分析，假设阵列中各单元间互耦影响可以忽略不计，各单元激励电流为

式中， f （θ，ϕ）为阵元的方向性函数，S （θ，ϕ） 为平面阵的阵方向性函数。

平面阵因子是两个线阵因子的乘积，可以利用线阵方向性分析的结论来分析平面阵列的方向性。

天线只有承载高频电流才能有电磁波辐射，馈线指将高频交流电能从电路的某一段传送到另一段所用的设备，对天线的馈电包括对单元天线的馈电和阵列天线的馈电两种形式。

当利用传输线对阵列结构进行激励时，可以采用微带线馈电和同轴线馈电两种方案。

当采用微带线对阵列天线进行馈电时，微带线和金属辐射贴片在同一平面内，在工程加工时带来许多方便，制作简单且成本低廉。

但微带馈线本身会产生辐射损耗，这种附加的损耗会对天线方向性参数产生不利影响，天线增益也会随之降低。

因此，通常要求微带线的线宽w尽可能的窄，即w <<λ，λ是电磁波的工作波长。

除此之外，天线的特性阻抗Zc 要高或者介质基片的厚度h要小，介电常数εr要尽可能的大。

恰当选择馈电点的位置可以实现天线的输入阻抗和馈线特性阻抗的匹配，如果将馈电点的位置沿着矩形贴片的两条边移动时，阵列天线的谐振电阻会发生变化。

对于同轴馈电方式，馈源的模型可以表示为z向电流圆柱和接地板上同轴开口处的小磁流环，如果进行简化处理，可以忽略磁流环的作用，并且可以利用中心位于圆柱中心轴的电流片等效电流柱。

如果设计精度要求高，可以把接地板上的同轴开口作为TEM波的激励源，而把圆柱探针的效应作为边界条件处理。

同轴馈电方式具有很多优势，首先，馈电点的位置可以在贴片内的任何位置进行选取，便于实现匹配。

其次，接地板和同轴电缆下方，可以有效地避免电缆对天线辐射的影响。

2、系统总体设计

天线阵设计指标如下：

天线结构为4×24，C波段，工作频带MHz300±f，垂直线极化，H面3 dB宽度3≥D，E面3dB宽度20≥D，水平面副瓣电平20dB≤−，垂直面副瓣电平15dB≤−，天线增益26dBG≥。

根据上述设计指标，结合天线工程领域的设计计算公式，我们可以采用模块化的设计方法实现4×24结构的大型微带阵列天线。

如果采用并联馈电形式的微带阵列天线，则由12个2×4结构的小型微带天线子阵可以组成4×24结构的大型微带阵列。

在水平方向上可以安排6个微带子阵，在垂直方向上可以安排2个微带子阵，则馈电网络采用2×6的同轴馈电结构，馈电网络的结构分布如图4所示。

2

支节编号

2′

3′

4′

4

3

78mm

1

电流分配

总输入端

1

0.8

0.55

0.55

0．8

1

图4RCL馈电网络系统框图

在设计微带阵列天线时，首先应该决定天线单元的结构形式，采用贴片式微带天线单元。

贴片式微带天线单元按照工作原理可以分为谐振式和行波式。

谐振式（也称驻波式）贴片微带天线作为阵元具有诸多优势，单元本身具有一定的方向性，效率较高，一般在90%以上，半功率波束宽度大致在80°～100°之间。

贴片单元的结构采用插槽结构实现，贴片的长度L、宽度W由阻抗匹配和单元天线的谐振频率f0决定，谐振频率f0和谐振阻抗的改变可以通过调节插入宽度s和插入深度N来实现。

对于2×4结构的串并馈驻波子阵天线，可以采用上下排列方式，贴片的开槽和子阵天线的结构分布如图2所示。

各贴片单元尺寸相同，馈电点位置为贴片窄边的中心。

为了将馈线拐角对单元的影响降到最低，可以采用调节L1来实现。

仿真二元子阵确定dH使两单元保持同相，调节w1达到匹配。

通过四元线阵的仿真调节T型分支的L2、w2使频率为f0时反射最小，两个四元线阵之间按电流幅比为0.7:

1进行加权段设计。

下子阵与上子阵单元形式相同，但下子阵两个四元线阵之间对应的加权段按1:

0.7设计，与上子阵的加权段构成镜像关系。

五、系统软件设计

利用HFSS进行微波无源器件及电路的设计大体经过物理建模、给模型参数赋予初值、运行仿真、参数调整优化等步骤。

在进行计算机建模之前，需要经过详细的理论分析过程，利用微带天线工程设计的相关经验公式来确定相关尺寸数据，理论分析大体经历分析数据、全波仿真分析优化贴片尺寸、馈电网络设计等步骤。

而且，由AnsoftHFSS和AnsoftDesigner构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。

w

L

s

s

1mm

（a）矩形微带贴片模型

dH=36.6mm

dE=39mm

L2

L1

馈点

（b）2×4子阵形式

图5插槽型微带贴片与子阵天线结构图

六、仿真调试分析

利用HFSS进行微波无源器件及电路的设计大体经过物理建模、给模型参数赋予初值、运行仿真、参数调整优化等步骤。

在进行计算机建模之前，需要经过详细的理论分析过程，利用微带天线工程设计的相关经验公式来确定相关尺寸数据，理论分析大体经历分析数据、全波仿真分析优化贴片尺寸、馈电网络设计等步骤。

利用HFSS软件对由RCL馈电网络的2×4微带子阵进行了仿真，建立的三维物理模型如图6所示，通过数据后处理就可以得出全向电场方向图和全向增益方向图，分别如图7和图8所示。

按照阵列天线方向图叠加原理和模块化的设计方法，可以得出4×24结构微带阵列天线的整体E面和H面方向图，如图9所示。

图62×4微带子阵列物理模型

图7天线全向电场方向图图8天线全向增益方向图

图9整体结构E面和H面结构图

通过2×4微带子阵的全向电场方向图和全向增益方向图可知，天线最大估计电场强度为5.5V，天线最大估计增益为4dB。

从微带阵列天线的整体E面和H面方向图来看，H面副瓣为-20.2dB，3dB宽度为3.7°；E面副瓣为-16.1dB，3dB宽度为20.7° ，满足工程上的设计要求。

七、设计中的问题及解决方法

在本设计中，最大的问题是对HFSS软件的应用不是很熟悉，通过上网学习，虚心提问。

基本掌握了此软件的操作。

对设计的进行有了很大的帮助。

八、通信系统学习心得

本设计利用电磁场EDA设计软件HFSS对微带阵列天线进行了研究和设计，分析了微带线馈电方式和同轴线馈电方式馈线传输损耗及其对天线方向图的影响，设计了一种基于同轴线馈电结构的多元矩形微带阵列天线。

首先在HFSS程序设计环境里构建了2×4微带天线子阵的物理模型，得出了全向增益方向图等特性曲线。

利用模块化的设计思想和方向图叠加原理构建了4×24结构的大型微带阵列天线，仿真结果表明，该阵列天线的各项参数指标满足工程设计要求，设计思想得到了很好的验证。

通过这次课程设计我学习到了很多课本上没有学到的知识，也感受到了通过努力研究得到成果的喜悦，感谢老师的耐心教导。

九、参考文献

[1]宋小弟，冯恩信，傅君眉. 一种新型小型圆极化GPS微带天线的设计与实现[J]，西安电子科技大学学报：

自然科学版，2009，36（6）：

1108-1112. 

[2] 梁仙灵，钟顺时，汪伟. 高隔离度双极化微带天线直线阵的设计[J]. 电子学报，2005，33（3）：

553-555. 

[3] 王亚洲，苏东林，肖永轩，等. 宽频带正方形微带贴片天线的设计[J]. 微波学报，2006，22

（1）：

29-31. 

[4] 宋顺斓，郑会利. 一种新型的全向宽频带微带阵列天线[J]. 空间电子技术，2007，1（4）：

60-66.