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          波導縫隙天線的設計仿真方案

          作者: 時間:2017-06-03 來源:網(wǎng)絡 收藏

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/347522.htm

          0 引言

          陣列天線口徑幅度易于控制,具有輻射效率高,方向性強,結(jié)構(gòu)緊湊等特點,而且容易實現(xiàn)低副 瓣乃至極低副瓣,因此在雷達和通信領域有著廣泛的應用。高頻仿真軟件在電磁仿真領域有著廣泛的應用,有著高仿真精度、高穩(wěn)定性的特點。使用 的3D建模功能,可以很容易解決簡單的模型創(chuàng)建問題,但是對于復雜天線結(jié)構(gòu)模型的建立,沒有特別有效的方法,使得建模過程十分繁瑣耗時,而且容易出錯。利 用 提供的VBScript腳本功能,可以對軟件進行二次開發(fā),以VBScript作為接口,利用Matlab調(diào)用HFSS協(xié)同建模仿真,可以簡化模型建立的 操作,節(jié)約設計時間。

          本文提出了一套天線的快速建模方法,設計了一個波導寬邊裂縫陣列天線。并以此天線為例,應用Matlab協(xié)同HFSS建立模型仿真,對仿真結(jié)果進行了分析。

          1 基本理論

          波導縫隙天線是在波導寬壁或窄壁上開縫的天線,波導中傳輸?shù)碾姶挪梢酝ㄟ^縫隙向外界進行輻射。通常有寬邊偏置縫、寬邊傾斜縫、窄邊傾斜縫隙這幾種開縫形式。根據(jù)波導終端的形式不同,波導縫隙可以分為行波陣和駐波陣。行波陣的波導終端接吸收負載,單元間距稍大或稍小于λg /2 ,駐波陣在距離終端λg /4 處接短路滑塊,單元間距均為λg /2 ,本文設計的就是一個波導駐波。

          1.1 波導縫隙天線理論分析

          波導上的輻射縫隙向外界輻射能量,引起波導負載的變化,應用傳輸線理論分析波導的工作狀態(tài)比較方便,將相應的縫隙等效成與傳輸線串聯(lián)的阻抗或并聯(lián)的導納,再建立對應的等效電路模型,進而可以求出各個縫隙的等效阻抗或?qū)Ъ{。Stevenson 等效電路法,就是根據(jù)傳輸線理論和波導模的格林函數(shù)導出矩形波導縫隙的計算公式。圖1所示為波導寬邊縱向偏置縫隙及其等效電路。

            

          歸一化等效諧振電導為:

            

            

          對比軟件仿真與式(1)計算結(jié)果誤差在10-2數(shù)量級,由此可見應用式(1)計算精度可以滿足設計要求。

          1.2 波導縫隙駐波陣設計

          按泰勒分布加權(quán)各縫隙激勵幅度,副瓣電平Ro ,設計N 單元波導寬邊偏置縫隙。由副瓣電平Ro確定參數(shù)A :

            

            

          因此,由式(2)可以計算出符合泰勒分布的各個縫隙的激勵幅度值an ,代入到式(3)中:

            

            

          求出各個縫隙的歸一化電導g ,再將求出的歸一化電導值代入式(1)中,從而可以得出各個縫隙的偏移量。

          2 Matlab 協(xié)同HFSS 建模仿真

          設計一個中心頻率為10 GHz,SLL=-25 dB,nˉ =4,N = 21的波導縫隙陣天線。由式(1)~式(3)綜合出各個縫隙的激勵幅度an ,縫隙偏移量d .縫隙的諧振長度可以通過HFSS仿真出來,仿真模型如圖2所示,縫寬設置縫隙長度l 為掃描變量,滿足im(Y ) = 0 時的l 值即為縫隙諧振長度。

            

          表1 是一組泰勒分布縫隙的激勵幅度,諧振長度參數(shù)。其中12~21 號縫隙與1~10 號縫隙對稱。HFSS提供了VBScript腳本語言功能,Matlab可以通過這個接口調(diào)用HFSS 建立相應的模型,實現(xiàn)Matlab 協(xié)同HFSS建模仿真。

            

          在Matlab 中需設置如下:設置HFSS 以及生成的VBScript路徑;編寫波導模型、激勵以及邊界條件程序;運行m文件生成VBScript,調(diào)用HFSS建立模型見圖3.

            

          選用波導尺寸22.86 mm×10.16 mm,波導壁厚1 mm,饋電端口距離縫隙中心λg /2 ,末端縫隙中心距終端λg /4 ,終端短路。從圖4駐波曲線可以看出在駐波小于2的帶寬約為150 MHz,由圖5可知E面方向圖波瓣寬度約為5°,H面方向圖波瓣寬度76°,天線增益為19.7 dB,第一副瓣-24.5 dB,滿足設計要求。

            

          3 結(jié)語

          本文以泰勒幅度加權(quán),設計了一個副瓣電平為-25 dB,縫隙數(shù)為21 的波導寬邊裂縫天線。利用HFSS 的VBScript 功能作為接口,在Matlab 中編寫相應的程序,生成VBScript腳本,進而調(diào)用HFSS建立了波導縫隙天線的模型,并進行了仿真分析。從仿真結(jié)果可以看出天線滿足設計要求,同時 也說明了使用Matlab協(xié)同HFSS建模方法的可行性。當在建立更為復雜的天線模型時,例如波導的縫隙數(shù)量為幾十甚至幾百個時,因為各個縫隙參數(shù)不盡相 同,無法在HFSS中利用簡單的復制操作批量完成,若將縫隙參數(shù)導入Matlab建模,則優(yōu)勢十分明顯。



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