基于HFSS的Ka波段微带阵列天线仿真
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 ε=，厚度h=0.245的介质基片。根据参考文献[1]，考虑f0=35.125GHz，5880介电常数 2.2
r
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。
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]。
2.2.1T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，
Z=T型接头的不连续参量，可以在主线阻抗变换器的特性阻抗
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，θ=，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三角槽的底角25
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
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
0.8 （在仿真中单元间距取7mm）。
求。其中阵元间距取约
2.3.12×2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
图6 2×2阵列方向图
2.3.24×4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。
（a ）XZ 面方向图 （b ）YZ 面方向图
图10 16×16阵列方向图 3 结论
本文主要利用HFSS 对Ka 波段微带天线单元、T 型接头及几种面阵S11进行了仿真，得到比较理想的仿真结果。在仿真的过程中，我们发现HFSS 是一种非常实用的电磁仿真
软件，绘制天线结构时极其方便，仿真的结构很接近理想化。最突出的是它所具有的参数化分析功能，极大地方便了软件的使用者。
[参考文献]
[1]田晓英.Ka波段微带天线设计[D].学位论文.南京理工大学.2008.
[2]蓝桥龙.毫米波微带天线研究[D].学位论文.电子科技大学.2006.
[3] https://www.wendangku.net/doc/7e16386146.html,lezari，C.D.Massey.MM- Wave Microstrip Antennas[J]. Microwave Journal.1987，（4）：87-99.
[4]谢处方，邱文杰.天线原理与设计[M].第1版.西安:西北电讯工程学院出版社，1985.
[5]I.J鲍尔，P.布哈蒂亚著，梁联悼，寇廷耀译.微带天线[M].第1版.北京:电子工业出版社，1984.
[6]张钧，刘克诚，张贤铎，赫崇骏.微带天线理论与工程[M].第1版.北京:国防工业出版社，1988.