基于HFSS2023R1相控阵微带天线真设计

导读：相控阵天线是一种具有电子转向功能的天线阵列，不需要天线进行任何物理移动，即可改变辐射信号的方向和形状。这种电子转向要归功于阵列中每个天线的辐射信号之间的相位差。相控阵天线的基本原理是两个或多个辐射信号出现依赖相位的叠加。当信号同相时，它们会结合在一起，形成一个幅度相加的信号。当信号反相时，它们会相互抵消。共有三种类型的相控阵天线：线性阵列、平面阵列、频率扫描阵列。  

某雷达相控阵天线

您是否观察过蚂蚁搬运方糖的过程？与蚂蚁的体型相比，方糖的尺寸要大得多。自然界中蚂蚁的这种行为证明，一支军队朝着同一方向合作，可以在更短的时间内达成同一目标。

在无线传输中，天线阵列的功能也基于同样的理念：人多力量大。相控阵天线就是根据这一原理运行的，与单个天线相比，它们的信号强度、增益、指向性和性能会更好一些。

传统的线极化相控阵天线单元包括印刷阵子天线、Vivaldi天线，槽线天线、喇叭天线、微带天线等， Vivaldi天线能够实现较宽频带内的宽角扫描，但其纵向较大，不符合低剖面的要求；喇叭天线具有高增益、高效率的优点，但应用于低频时重量过大；由于微带天线具有剖面低，重量轻、可以实现了宽带和高增益等特点，因此，得到了广泛的研究。当前计算机技术和各种三维电磁软件的发展，为阵列天线设计提供了强大的辅助，本讲座采用HFSS设计一款相控阵天线，实现波束扫描，相对于传统方法，大大节省计算资源和时间。

一、单元设计

这里方便起见，采用背馈的微带天线，模型如下（请在文章末尾点赞和在看，截图发到本公众号并回复 HFSS2023  笔者24小时内赠送模型文件和HFSS2023英文版帮助文档）。

  天线单元的增益比较重要，太小的话会影响天线阵列的性能，根据相关理论，天线单元翻倍情况下，增益将增加3dB左右，当然这是在理想情况下，也就是耦合很小情况。实际情况，阵列天线设计比较复杂，在讲座中，我们会详细讲解阵列天线的理论，有助于设计师可以更加有效的设计天线单元。

二、 阵列快速建立及实现波束扫描

基于最新HFSS2023R1版本软件，应用天线单元进行快速阵列的建立，自动根据求解频率生成辐射空气腔体，并进行全波仿真。

采用HFSS2023R1版本最新功能，自动设置周期边界条件，并进行快速阵列，可选择激励单元等设置，实现与工程实际应用中一致的仿真设置。

应用HFSS2023R1版本波束扫描工具，可以快速计算扫描角度，并将阵列相位自动配置到阵列天线单元中，减少设置阵列天线单元相位的工作量，迅速提升设计效率，实现快速查看波束扫描增益及辐射反向图，快速迭代，减少设计天线时间。

编辑：黄飞