浅析宽缝天线的仿真_波缝天线阵设计与仿真

2020-02-27 其他范文下载本文

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浅析宽缝天线的仿真

【摘要】本文改进了一种基于宽缝微带天线结构的超宽带天线．利用HFSS对改进前后进行了仿真计算，给出了反射损耗曲线和辐射方向图。改进后的天线采用较低的介电常数和较小的薄基板，获得了更大的阻抗带宽和频率范围。

【关键词】超宽带宽缝天线 HFSS仿真

对于超宽带系统，一个很重要的问题就是超宽带天线的研究。因为对于传统的窄带天线，超宽带天线需要有几个倍频程的阻抗带宽，而且要求天线在整个超宽带频带宽度中都有稳定的性能。微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作为一种缝隙天线。它具有剖面低、体积小、重量轻、易于加工、便于获得圆极化的优点，并且非常有利于集成，为一简单矩形贴片的微带天线。辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的，垂直于贴片的方向上辐射最强。

微带缝隙天线是微带天线中的一种，因其结构简单、便于排阵等优点在雷达与通信系统中有着广泛的应用。通常按照缝宽电尺寸的大小，缝隙天线可以分为窄缝和宽缝两种结构。通常窄缝天线的阻抗带宽比较窄，而采用宽缝结构则可以获得较宽的工作带宽，并且对制造公差要求比贴片天线低，在组阵时其单元间隔距离比贴片天线更大。

目前改进技术可归纳为以下两种：改变馈电结构(如T形、十字形、u形或 Pi形等)；改变宽缝形状(包括矩形缝、圆形缝、椭圆缝等以及将矩形缝旋转或者将矩形缝的直角转为圆角等)。

采用渐变缝隙结构的微带天线可以获得超过100％的阻抗带宽，并且具有较高的增益，矩形微带馈电的半圆形宽缝天线和三角形微带馈电的三角形宽缝天线，阻抗带宽分别为l20％和l10％。但上述两种天线都是制作在FR4的基板材料上的，由于FR4的损耗比较大，降低了天线的效率，而且两者面积也过大(110 mm×110mm)，这也限制了将其集成到便携通信设备中。

采用低损耗低介电常数的基板材料，保证了天线能有较高的效率，而且天线的面积也大为减小，造价低廉，使用于小型或者便携无线通信设备。将贴片的形状加以微小的改进，最后使用HFSS进行仿真计算，结果表明此天线在整个工作频带范围内具有比较好的全向辐射特性，因此是一种具有实用价值的超宽带天线。

1.矩形微带馈电的半圆形宽缝天线的仿真分析

1.1天线的仿真

采用仿真软件HFSS 10对该天线进行建模仿真，HFSS是基于有限元方法的高频电磁场仿真分析软件，能对任意三维结构的电磁场进行分析计算，并能得出特性阻抗、S参数、辐射场、天线方向图等结果。

具体过程如下：

（1）建模

在HFSS中新建立一个工程，设置求解类型为Driven Modal，将单位设置为mm。在HFSS中先画出介质板，并设置其材料为FR4，透明度设置为0.8，然后在其上方画具有半圆形宽缝的铜层，按照经验，厚度选为0.035mm，最后在介质板的下面画出厚度也为0.035的微带线和正方形贴片，设置其材料为铜，透明度为0.8。

（2）端口

在左侧面的中间设置1.5mm×0.8mm的集总端口，积分线选取该矩形中心线，按照默认设置选取50欧姆。

（3）空气和边界设置

由于仿真频率选取1GHz~11GHz，所以空气层的厚度选取最低频率对应波长的四分之一（即75mm），试验中的空气箱选取265mm×265mm×155mm，并将空气箱的六个面设置为辐射边界。将上下的铜层的表面设置为PEC边界。

（4）分析设置

将求解的中心频点设置为6GHz，最大步数设为10，每次的最大散射参量△S设为0.02。将扫描设置为快速扫描，从1GHz~11GHz，步长选为0.1GHz。

（5）求解

先进行有效性检查，通过后，开始进行分析求解。

1.2仿真结果及分析

求解计算完成后，利用HFSS的后处理功能，即可得到天线的电参数。参数回波损耗如图1所示，从图中可以看出，该天线的阻抗带宽（S11≤-10dB）约为100%（2~8GHz）。

阻抗带宽并不足以说明天线的实际带宽，必须对天线不同工作频率下的方向图进行仿真计算才能确定方向图带宽。图2分别给出了天线在工作频率为6GHz情况下，ZY平面(E面)与ZX平面(H面)的辐射方向图，图中外围的曲线为ZY平面(E面)。分析时选取的参量为增益，单位为dB。

图1 半圆形宽缝天线的回波损耗

图2 半圆形宽缝天线的辐射方向图

2.改进结构的仿真分析

由于FR4的损耗比较大，降低了天线的效率，而且两者面积也过大(110 mm×110mm)，这也限制了将其集成到便携通信设备中，针对该天线的不足，许多文献都对其进行了改进，在这里将介质板缩小为60×95mm，所使用的基板改为为具有低介电常数，厚度小，柔韧性较好的聚四氟乙烯环氧树脂强化材料RT5880．基板厚度不变，介电常数为2.2，同时将矩形微带改为近似半圆形，如图3所示。

建模的过程中，对于矩形微带进行倒角，选取半径为8mm。

按照前述步骤，对改进后的宽缝天线进行仿真，分析结果如图

4、图5所示。图4为回波损耗，从图中可以看出，进过改进后，阻抗带宽有了明显的加宽（2.5G~十几G），但是个别点处回波损耗大于-10dB，这就需要进一步的对半圆形贴片的半径进行优化。

图3 改进后的宽缝天线及其模型

图4 改进后的宽缝天线的回波损耗

图5所示为改进后的宽缝天线的辐射方向图，其中近似为椭圆形的曲线表示ZY平面(E面)，另外一条对称曲线表示ZX平面(H面)。可以看出该天线具有较好的全方向性。

图5 改进后的宽缝天线的辐射方向图

3.结论分析

通过仿真可以看出，采用半圆形缝隙、半圆形馈电是可以实现的一种展宽宽缝天线频带的有效途径。结合相关文献的仿真结果，可以得知该类型宽缝天线的反射特性对缝隙周围的基板尺寸L、W并不十分敏感，而馈电结构对回波损耗的影响比较大。从仿真中，还得出以下的相关规律:

3.1缝隙的结构与微带馈电结构应该一致

另外一种天线，采用三角形缝隙，对应馈电结构也是采用三角形。

3.2缝与微带应该成对称放置