基于MATLAB和HFSS联合仿真的平面反射阵列天线

Ming20101202 2023-08-10 2660

RF/无线

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描述

本案例设计了一种单层风车型单元，以拓宽反射阵列天线的带宽。为了获得足够的相位范围，利用风车环贴片和圆环贴片来实现多谐振状态。所提出的单元在HFSS仿真获得了473.6°相位范围的线性相移曲线。在此基础上，所提出的单元在27.5GHz到42.5GHz范围内，大部分相移曲线保持平行，这表明所提出的单元具有宽带特性。为此，我们设计、仿真、加工和测试了由400个单元组成的方形孔径80mm×80mm的单层偏馈天线原型。通过详细测量，在37 GHz下，主波束的峰值增益为27.86 dBi，孔径效率为51.7%。此外，3-dB增益为35.71%（27.5GHz-40GHz）。

对于高增益天线，反射阵列天线（RA）结合了抛物面天线和相控阵的优点，是5G系统的良好候选者。由于大孔径和空间馈电方式，反射阵列可以通过调整表面单元的结构辐射高增益笔形波束。然而，限制RA在通信系统中的应用的主要是带宽窄。为了拓宽RA的带宽，已经做出了许多努力，其中使用最多的是多层和单层多谐振技术。对于多层多谐振技术，使用两个或多层电介质来形成多个谐振点。可以通过优化多层贴片的相应参数来调整相移曲线的线性和范围。虽然可以增加带宽但却增加了制造难度和成本，而且容易引入对准误差。对于单层多谐振技术，使用具有低剖面和低成本的单层介质基板可以获得类似的结果。为此，本案例利用单层多谐振技术构建了一个宽带反射阵列。

对于一个RA天线，一般包含以下3个基本步骤：

单元设计

本案例了提出了一个基于尺寸变化型和旋转型单元的混合调相单元，图1所示。风车环贴片的尺寸和方向随着θ的变化而同时变化。当圆环贴片和风车环贴片达到谐振尺寸时，可以产生双谐振振以扩大相位范围。这意味着所提出的单元是一种混合相变结构，它使用了谐振和几何相位调制。当θ从57.6°变化到309.6°时，所提出的单元可以在35GHz下获得473.6°的相移范围，且损耗低，证明所提出的原子可以产生全相位覆盖，如图2所示。这意味着所提出的单元在反射相位曲线的线性方面具有显著的优势，这是宽带特性的重要因素。

为了实现后续RA的良好辐射性能，必须考虑入射角对单元反射特性的影响，如图3所示。当θi从0°变化到40°时，反射相位和幅度变化不大。这表明，反射相位和幅度对入射角的改变不敏感。根据图4显示，在整个27.5 GHz至40 GHz范围内，相位偏转的变化量同样很小，这意味着相移曲线在宽频带上保持稳定的趋势。

图1 单元结构示意图

图2 35GHz时单元反射相位与幅度

图3 不同入射角的反射特性

图4 不同频率下的反射特性

馈源设计

本案例使用KA频段的线极化角锥喇叭。首先使用HFSS确定好喇叭的相位中心。为了保证阵面的照射效率且减小馈源和RA之间的遮挡影响，馈源的相位中心与RA的垂直距离为80mm（F/D=1）,入射角与反射角和RA中心的夹角设为15°。

阵面组装

准备好单元和馈源，紧接着就是计算阵面单元需要补偿的相位，以便是入射波束经过RA后能形成指定方向的反射波束。计算公式如下：

其中k0是自由空间中的传播常数。馈电相位中心与第n个单元中心之间的距离表示为dmn，r0表示主波束的单位矢量。rmn是第mn个元素的位置矢量。同时，结合单元相移曲线，利用matlab程序得出单元大小。

最后，利用上文求出的单元大小，使用matlab和hfss联合仿真自动化建模（github代码库参考 https://github.com/YuJie2020/MATLAB-HFSS-API），天线整体结构如图5所示。为了验证HFSS的仿真结果，我们加工了天线实物进行测试，实物图见图6。测试结果和仿真接近，如图7所示。可以看到，模拟结果与测量结果具有相同的趋势。测得的峰值增益为27.86dBi，频率为37GHz，相应的孔径效率为51.7%。此外，在模拟结果中观察到27.5GHz-42.5GHz（相对带宽为42.86%）频率上的增益变化小于3dB。然而，由于VNA的频率限制，RA增益测量的最大频率只能达到40GHz。因此，测得的3dB增益带宽为35.71%（27.5GHz-40GHz）。

图5 天线结构示意图

图6 天线加工模型

(a)

(b)

图7 (a)35Ghz时仿真与测试归一化方向图; (b) 仿真与测量的增益和口径效率与频率的关系

总之，本案例提出了一种由圆环贴片和风车环贴片组成的新型风车单元。所提出的单元具有混合调相机制。通过HFSS优化参数，获得了覆盖473.6°相移范围的线性相移曲线。基于该单元，先在HFSS进行仿真计算，取得满意的效果后，加工了孔径尺寸为80mm×80mm的单层Ka波段偏置馈电样品，并在宽频率范围内进行了测试。测量的峰值增益为27.86dBi，孔径效率为51.7%，测量结果与仿真结果吻合较好。

审核编辑：汤梓红

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