本文利用ANSYS HFSS設(shè)計(jì)了一種工作于毫米波段的介質(zhì)復(fù)合波導(dǎo)縫隙天線陣列，在介質(zhì)覆銅板加工出縫隙并與波導(dǎo)槽復(fù)合形成輻射結(jié)構(gòu)，利用HFSS 軟件仿真并分析縫隙導(dǎo)納，泰勒加權(quán)實(shí)現(xiàn)陣列綜合。設(shè)計(jì)平面和差網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)天饋系統(tǒng)一體化，利用介質(zhì)覆銅板加工出圓極化柵，并利用HFSS對(duì)整體天線進(jìn)行了仿真調(diào)試。仿真結(jié)果與實(shí)物測(cè)試結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了軟件仿真的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)的可行性。該天線成本低、一致性高、圓極化性能好，同時(shí)可以改善傳統(tǒng)波導(dǎo)縫隙天線成品率低、成本高和工作帶寬窄的缺點(diǎn)，并將工作頻帶展寬至700MHz。

1、前言

作為一種常用毫米波天線，波導(dǎo)縫隙天線加工成本高、成品率低。基于印刷縫隙的介質(zhì)復(fù)合波導(dǎo)縫隙天線是將開縫的介質(zhì)覆銅板復(fù)合到波導(dǎo)槽上，保有傳統(tǒng)波導(dǎo)縫隙天線輻射效率的同時(shí)，還具有一致性好、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成品率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。有學(xué)者對(duì)覆介質(zhì)的波導(dǎo)縫隙特性進(jìn)行了一些輻射特性分析，加工實(shí)物的有單條復(fù)合縫隙陣。本文利用ANSYSHFSS仿真軟件的精確計(jì)算功能，設(shè)計(jì)仿真并制作一種毫米波圓極化介質(zhì)復(fù)合波導(dǎo)縫隙天線，通過編寫陣列加權(quán)算法進(jìn)行激勵(lì)分布計(jì)算，并主要利用仿真軟件HFSS對(duì)縫隙導(dǎo)納進(jìn)行提取并擬合曲線。基于天饋系統(tǒng)一體化、一維波束和差的目的，利用HFSS設(shè)計(jì)了包含平面魔T的一維和差網(wǎng)絡(luò)。通過總結(jié)已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一種基于介質(zhì)覆銅板的極化柵，可覆蓋于天線表面實(shí)現(xiàn)圓極化。經(jīng)過實(shí)物測(cè)試，天線于毫米波段工作性能良好：工作頻帶內(nèi)水平維和波束副瓣電平低于-18dB，俯仰維3dB波束寬度超過±15°，差波束零深25dB，右旋圓極化增益約22dBi，3dB波束范圍內(nèi)軸比小于5dB。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

2、介質(zhì)復(fù)合波導(dǎo)縫隙天線理論

2.1、天線結(jié)構(gòu)

本文涉及一種介質(zhì)復(fù)合波導(dǎo)天線，其輻射結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用介質(zhì)覆銅板加工縫隙代替?zhèn)鹘y(tǒng)波導(dǎo)的開縫寬邊。與傳統(tǒng)波導(dǎo)寬邊開縫的天線相比，介質(zhì)復(fù)合波導(dǎo)相當(dāng)于在縫隙表面覆蓋一層介質(zhì)，對(duì)于縫隙以及波導(dǎo)腔體結(jié)構(gòu)都具有保護(hù)作用。

2.2、波導(dǎo)寬邊縱縫單元分析

如圖2(a)所示，波導(dǎo)寬邊縱縫單元等效為并聯(lián)的導(dǎo)納，其導(dǎo)納數(shù)值與波導(dǎo)尺寸、工作頻率、縱縫的偏置以及長(zhǎng)度等參數(shù)有關(guān)。引入介質(zhì)覆蓋后，導(dǎo)納公式相應(yīng)改變，有文獻(xiàn)對(duì)覆介質(zhì)波導(dǎo)縫隙的導(dǎo)納特性進(jìn)行研究，但其計(jì)算繁復(fù)且仍需要仿真驗(yàn)證。本文直接采用HFSS建立覆介質(zhì)波導(dǎo)縱縫單元，通過仿真提取導(dǎo)納并擬合曲線的方式對(duì)其對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究。

3、利用HFSS軟件設(shè)計(jì)陣列天線

3.1、設(shè)計(jì)陣列

波導(dǎo)縫隙陣列是天線的核心，實(shí)現(xiàn)方向圖的大多數(shù)特性。本文設(shè)計(jì)縫隙陣列工作頻率為Ka波段，陣列規(guī)模為2×32排布，設(shè)計(jì)副瓣電平為-20dB，增益為22dBi。如圖2(b)所示，選擇陣列形式為諧振式波導(dǎo)寬邊縫隙陣，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊，工作性能較穩(wěn)定。由于陣列定為2×32排布，計(jì)算縫隙等效導(dǎo)納時(shí)需要考慮同一波導(dǎo)及兩條波導(dǎo)間的縫隙互耦。

3.1.1、計(jì)算陣列加權(quán)

通過編寫算法程序?qū)崿F(xiàn)陣列的泰勒加權(quán)分布，對(duì)陣列的激勵(lì)權(quán)值進(jìn)行計(jì)算。為得到方向圖的一維和差，陣列采用對(duì)稱式饋電結(jié)構(gòu)。以副瓣電平-22dB加權(quán)，得到各單元權(quán)值。

3.1.2、提取引入縫隙間互耦的導(dǎo)納

HFSS可以準(zhǔn)確地對(duì)所建模型進(jìn)行場(chǎng)的求解，使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便。利用HFSS建立兩條平行波導(dǎo)的多個(gè)縫隙模型進(jìn)行導(dǎo)納分析，能對(duì)縫隙互耦進(jìn)行計(jì)算，得到比單個(gè)縫隙模型以及單條波導(dǎo)模型更準(zhǔn)確的縫隙導(dǎo)納參數(shù)。僅激勵(lì)單條波導(dǎo)時(shí)，另一條波導(dǎo)能量場(chǎng)耦合如圖3(a)所示；兩條波導(dǎo)同時(shí)激勵(lì)時(shí)，場(chǎng)分布如圖3(b)所示。縫隙耦合量級(jí)為-20dB~-30dB。

通過調(diào)節(jié)縫隙的長(zhǎng)度l、寬度參數(shù)w、縫隙偏置d，使模型達(dá)到諧振狀態(tài)并使縫隙互耦盡量小，對(duì)縫隙的導(dǎo)納參數(shù)進(jìn)行提取。此時(shí)提取出的參數(shù)即為引入平行波導(dǎo)間縫隙互耦影響的結(jié)果，更接近實(shí)物。將提取出的導(dǎo)納參數(shù)進(jìn)行處理，擬合出導(dǎo)納-偏置-縫長(zhǎng)對(duì)應(yīng)曲線，結(jié)合激勵(lì)權(quán)值進(jìn)行陣列設(shè)計(jì)。經(jīng)過軟件仿真，最終的縫隙陣列見圖4。

3.2、平面和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.2.1、設(shè)計(jì)平面魔T

考慮用金屬一體加工出波導(dǎo)槽和饋電網(wǎng)絡(luò)。因此利用HFSS設(shè)計(jì)平面魔T實(shí)現(xiàn)一維信號(hào)的和差。在模型中，用易加工的金屬臺(tái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)立體魔T的錐臺(tái)，如圖5(a)所示。經(jīng)過仿真，和差端口隔離度優(yōu)于30dB，插損小于0.3dB。

3.2.2、設(shè)計(jì)和差網(wǎng)絡(luò)

利用波導(dǎo)與平面魔T組合成為和差網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化波導(dǎo)拐角以及長(zhǎng)度，對(duì)兩側(cè)天線陣的激勵(lì)幅度和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)。最終模型見圖5(b)，最終兩條饋電波導(dǎo)通過斜縫將能量耦合至輻射波導(dǎo)腔。

3.3、仿真整體天線

通過現(xiàn)有研究結(jié)果，以介質(zhì)覆銅板為基礎(chǔ)，利用HFSS設(shè)計(jì)了毫米波圓極化柵。將圓極化柵、天線陣列和和差網(wǎng)絡(luò)組合成整體天線，如圖6(a)所示，仿真整體天線模型并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試，天線的圓極化性能良好。

4、實(shí)物測(cè)試結(jié)果

天線實(shí)物照片見圖6(b)，仿真與實(shí)測(cè)方向圖對(duì)比見圖7。實(shí)測(cè)和差口駐波比曲線如圖8所示。

對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果可見，仿真和差方向圖與實(shí)測(cè)基本一致。利用HFSS建立平行波導(dǎo)縫隙模型并提取縫隙導(dǎo)納，可以將縫隙的互耦影響計(jì)算在內(nèi)，與傳統(tǒng)電磁計(jì)算方法相比更精確且有效率。

5、結(jié)論

本文利用HFSS設(shè)計(jì)一種毫米波圓極化介質(zhì)復(fù)合波導(dǎo)縫隙天線。通過建立模型仿真，對(duì)縫隙導(dǎo)納進(jìn)行提取并擬合曲線。利用HFSS設(shè)計(jì)一維和差網(wǎng)絡(luò)以及基于介質(zhì)覆銅板的極化柵，實(shí)現(xiàn)左/右旋圓極化。經(jīng)過實(shí)物測(cè)試，天線于毫米波段工作性能良好：所設(shè)計(jì)的介質(zhì)復(fù)合波導(dǎo)縫隙天線實(shí)現(xiàn)了一維波束和差，差波束零深25dB；圓極化柵實(shí)現(xiàn)了右旋圓極化增益約22dBi，3dB波束范圍內(nèi)軸比小于5dB；在保有傳統(tǒng)波導(dǎo)縫隙天線輻射效率的同時(shí)，該復(fù)合天線將工作頻帶展寬至700MHz。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。