毫米波圆极化介质复合波导缝隙阵列天线的HFSS设计

本文利用ANSYS HFSS设计了一种工作于毫米波段的介质复合波导缝隙天线阵列，在介质覆铜板加工出缝隙并与波导槽复合形成辐射结构，利用HFSS 软件仿真并分析缝隙导纳，泰勒加权实现阵列综合。设计平面和差网络实现天馈系统一体化，利用介质覆铜板加工出圆极化栅，并利用HFSS对整体天线进行了仿真调试。仿真结果与实物测试结果基本一致，验证了软件仿真的准确性和设计的可行性。该天线成本低、一致性高、圆极化性能好，同时可以改善传统波导缝隙天线成品率低、成本高和工作带宽窄的缺点，并将工作频带展宽至700MHz。

1、前言

作为一种常用毫米波天线，波导缝隙天线加工成本高、成品率低。基于印刷缝隙的介质复合波导缝隙天线是将开缝的介质覆铜板复合到波导槽上，保有传统波导缝隙天线辐射效率的同时，还具有一致性好、生产工艺简单、成品率高、成本低等优点。有学者对覆介质的波导缝隙特性进行了一些辐射特性分析，加工实物的有单条复合缝隙阵。本文利用ANSYSHFSS仿真软件的精确计算功能，设计仿真并制作一种毫米波圆极化介质复合波导缝隙天线，通过编写阵列加权算法进行激励分布计算，并主要利用仿真软件HFSS对缝隙导纳进行提取并拟合曲线。基于天馈系统一体化、一维波束和差的目的，利用HFSS设计了包含平面魔T的一维和差网络。通过总结已有设计经验，设计一种基于介质覆铜板的极化栅，可覆盖于天线表面实现圆极化。经过实物测试，天线于毫米波段工作性能良好：工作频带内水平维和波束副瓣电平低于-18dB，俯仰维3dB波束宽度超过±15°，差波束零深25dB，右旋圆极化增益约22dBi，3dB波束范围内轴比小于5dB。仿真结果与实测结果一致。

2、介质复合波导缝隙天线理论

2.1、天线结构

本文涉及一种介质复合波导天线，其辐射结构如图1所示，采用介质覆铜板加工缝隙代替传统波导的开缝宽边。与传统波导宽边开缝的天线相比，介质复合波导相当于在缝隙表面覆盖一层介质，对于缝隙以及波导腔体结构都具有保护作用。

2.2、波导宽边纵缝单元分析

如图2(a)所示，波导宽边纵缝单元等效为并联的导纳，其导纳数值与波导尺寸、工作频率、纵缝的偏置以及长度等参数有关。引入介质覆盖后，导纳公式相应改变，有文献对覆介质波导缝隙的导纳特性进行研究，但其计算繁复且仍需要仿真验证。本文直接采用HFSS建立覆介质波导纵缝单元，通过仿真提取导纳并拟合曲线的方式对其对应关系进行研究。

3、利用HFSS软件设计阵列天线

3.1、设计阵列

波导缝隙阵列是天线的核心，实现方向图的大多数特性。本文设计缝隙阵列工作频率为Ka波段，阵列规模为2×32排布，设计副瓣电平为-20dB，增益为22dBi。如图2(b)所示，选择阵列形式为谐振式波导宽边缝隙阵，其优点在于结构紧凑，工作性能较稳定。由于阵列定为2×32排布，计算缝隙等效导纳时需要考虑同一波导及两条波导间的缝隙互耦。

3.1.1、计算阵列加权

通过编写算法程序实现阵列的泰勒加权分布，对阵列的激励权值进行计算。为得到方向图的一维和差，阵列采用对称式馈电结构。以副瓣电平-22dB加权，得到各单元权值。

3.1.2、提取引入缝隙间互耦的导纳

HFSS可以准确地对所建模型进行场的求解，使设计更加简便。利用HFSS建立两条平行波导的多个缝隙模型进行导纳分析，能对缝隙互耦进行计算，得到比单个缝隙模型以及单条波导模型更准确的缝隙导纳参数。仅激励单条波导时，另一条波导能量场耦合如图3(a)所示；两条波导同时激励时，场分布如图3(b)所示。缝隙耦合量级为-20dB~-30dB。

通过调节缝隙的长度l、宽度参数w、缝隙偏置d，使模型达到谐振状态并使缝隙互耦尽量小，对缝隙的导纳参数进行提取。此时提取出的参数即为引入平行波导间缝隙互耦影响的结果，更接近实物。将提取出的导纳参数进行处理，拟合出导纳-偏置-缝长对应曲线，结合激励权值进行阵列设计。经过软件仿真，最终的缝隙阵列见图4。

3.2、平面和差网络设计

3.2.1、设计平面魔T

考虑用金属一体加工出波导槽和馈电网络。因此利用HFSS设计平面魔T实现一维信号的和差。在模型中，用易加工的金属台代替传统立体魔T的锥台，如图5(a)所示。经过仿真，和差端口隔离度优于30dB，插损小于0.3dB。

3.2.2、设计和差网络

利用波导与平面魔T组合成为和差网络，优化波导拐角以及长度，对两侧天线阵的激励幅度和相位进行调节。最终模型见图5(b)，最终两条馈电波导通过斜缝将能量耦合至辐射波导腔。

3.3、仿真整体天线

通过现有研究结果，以介质覆铜板为基础，利用HFSS设计了毫米波圆极化栅。将圆极化栅、天线阵列和和差网络组合成整体天线，如图6(a)所示，仿真整体天线模型并进行优化调试，天线的圆极化性能良好。

4、实物测试结果

天线实物照片见图6(b)，仿真与实测方向图对比见图7。实测和差口驻波比曲线如图8所示。

对比仿真与实测结果可见，仿真和差方向图与实测基本一致。利用HFSS建立平行波导缝隙模型并提取缝隙导纳，可以将缝隙的互耦影响计算在内，与传统电磁计算方法相比更精确且有效率。

5、结论

本文利用HFSS设计一种毫米波圆极化介质复合波导缝隙天线。通过建立模型仿真，对缝隙导纳进行提取并拟合曲线。利用HFSS设计一维和差网络以及基于介质覆铜板的极化栅，实现左/右旋圆极化。经过实物测试，天线于毫米波段工作性能良好：所设计的介质复合波导缝隙天线实现了一维波束和差，差波束零深25dB；圆极化栅实现了右旋圆极化增益约22dBi，3dB波束范围内轴比小于5dB；在保有传统波导缝隙天线辐射效率的同时，该复合天线将工作频带展宽至700MHz。仿真结果与实测结果一致。