應(yīng)用案例：寬角度波束掃描復(fù)合左右手漏波天線仿真

1. 摘要     

本文基于 ANSYS HFSS 軟件仿真分析一種新型的復(fù)合左右手漏波天線。通常,漏波天線的最大輻射方向隨其工作頻率的變化而變化,因而具有變頻波束掃描功能。傳統(tǒng)的周期結(jié)構(gòu)漏波天線由于其傳輸特性包含帶阻頻段,因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)在側(cè)射平面內(nèi)的連續(xù)波束掃描。文獻(xiàn) Debabrata K. Karmokar, Y. Jay Guo, Shu-Lin Chen and Trevor S. Bird, “Composite Right/Left-Handed Leaky-Wave Antennas for Wide-Angle Beam Scanning With Flexibly Chosen Frequency Range,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 68, no. 1, pp 100-110 Jan. 2020. 中提出基于傳統(tǒng)的傳輸線理論和傳遞函數(shù)分析的方法,可以構(gòu)建一種對(duì)稱結(jié)構(gòu)的微帶天線基本單元。如果這種微帶天線基本單元的傳輸特性是帶通的,那么這種基本單元本身就具備連續(xù)變頻波束掃描功能。多個(gè)上述單元的級(jí)聯(lián),可以使得波束掃描范圍擴(kuò)大,從而靈活地構(gòu)造具有連續(xù)寬角度波束掃描的復(fù)合左右手漏波天線。

本文首先詳細(xì)敘述了新型復(fù)合左右手漏波天線的設(shè)計(jì)思路,然后仿真驗(yàn)證了具備對(duì)稱結(jié)構(gòu)的微帶天線基本單元的傳輸特性和輻射特性(S 參數(shù),側(cè)射面最大輻射方向隨頻率的變化),最后仿真驗(yàn)證了由上述單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成的復(fù)合左右手漏波天線的傳輸特性和輻射特性。

2. 基于傳輸線理論構(gòu)建微帶單元

基于傳統(tǒng)的傳輸線理論,單一的微帶貼片的傳輸特性可以用上圖所示的電路等效。 

上述公式中的d, w, l, h, g 分別對(duì)應(yīng)貼片的通孔直徑,貼片寬度,貼片長(zhǎng)度,基板厚度和縫隙寬度(單位是 m)。

以上述的近似公式為基礎(chǔ),可以得到下圖所示微帶傳輸單元(其中包含了三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的貼片,位于中間的 Center Patch 和位于兩端對(duì)稱的 Outer Patch)的等效電路。其中,Outer Patch 中間包含縫隙,其等效電路參數(shù)的計(jì)算和上述的計(jì)算公式稍有區(qū)別。

基于電路和信號(hào)與系統(tǒng)的基本理論,可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求(截止頻率),優(yōu)化計(jì)算出

等電路參數(shù),從而優(yōu)化確定微帶傳輸單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3. 基本單元仿真

在 HFSS 中建立的基本單元如上圖所示,其中主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括(基板材質(zhì)為相對(duì)介電常數(shù) 2.33,損耗角正切 0.0012):P=25.05mm,W=30mm,g=0.2mm,h=1.575mm,hs=8mm,lc=3.25mm,lo=10.6mm,w=10mm,d=0.8mm,ws=2.5mm。基本單元的兩端用微帶線引出(寬度 1.7mm),并在基板邊緣截面施加阻抗特性為 50ohm 的激勵(lì)。

仿真頻段設(shè)置為 4.5GHz 至 6.5GHz,應(yīng)用 HFSS->Toolkits->Wavelength Calculator 計(jì)算 4.5GHz 的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為 66mm 左右,因此設(shè)置仿真區(qū)域距離模型 17mm(略大于 1/4 波長(zhǎng)),并設(shè)置仿真區(qū)域邊界條件為輻射邊界條件。

仿真頻率設(shè)置為中間頻率 5.5GHz,為分析傳輸特性(S 參數(shù))添加頻率掃描 4.5GHz 至 6.5GHz(Sweep Type 為 Fast),為分析波束掃描特性添加頻率掃描 5.1GHz 至 6.1GHz(Sweep Type 為 Discrete,遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)保存),并在 XOZ 平面建立遠(yuǎn)場(chǎng)輻射面(Far Field Radiation Sphere Setup)。

仿真結(jié)果如下圖所示:基本單元的傳輸特性是帶通的(4.94GHz 至 6.04GHz)。觀察基本單元從 5.1GHz 至 6.1GHz(間隔 0.2GHz)在側(cè)射面的最大輻射方向逐步從負(fù)角度過(guò)度到正角度(-23 度、-19 度、-15 度、-10 度、9 度、23 度)。

4. 天線整體仿真

將上述基本單元進(jìn)行級(jí)聯(lián)(9 個(gè)),兩端的饋電方式不變,基板整體長(zhǎng)度設(shè)置為 252.75mm,就構(gòu)造得到了如下圖所示的復(fù)合左右手漏波天線。

仿真結(jié)果如下圖所示:漏波天線的傳輸特性是帶通的(4.93GHz 至 6.05GHz)。觀察基本單元從 5.1GHz 至 6.1GHz(間隔 0.2GHz)在側(cè)射面的最大輻射方向逐步從負(fù)角度過(guò)度到正角度(-40 度、-19 度、1 度、15 度、33 度、63 度)。相對(duì)于基本單元,傳輸帶寬基本不變,掃描角度范圍更大。

5. 結(jié)論

基于傳統(tǒng)的傳輸線理論和傳遞函數(shù)分析的方法,可以構(gòu)建出具有帶通傳輸特性的基本單元。

基于上述的多個(gè)基本單元的級(jí)聯(lián),可以靈活地構(gòu)造具有連續(xù)寬角度波束掃描功能的復(fù)合左右手漏波天線。

應(yīng)用 ANSYS HFSS 軟件可以有效地完成上述仿真工作,計(jì)算結(jié)果與原文中應(yīng)用其他全波電磁軟件(并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行過(guò)對(duì)比)的計(jì)算結(jié)果一致性很好(S 參數(shù),波束角度theta=0的對(duì)應(yīng)頻率,均保持了很好的一致性)。