基于HFSS的線陣綜合分析

摘要：

常規(guī)的陣列天線方向圖綜合是基于陣因子分析法，且不考慮單元之間電磁耦合的一種快速分析手段。本次推文則簡單闡述一個基于HFSS的線陣綜合實例。

0 1 HFSS中的直線陣

均勻直線陣的基礎(chǔ)知識已在前面的推文中進(jìn)行了多次闡述舉例，這里就不贅述。援引淺談陣列天線及布陣中的單元模型，在HFSS中復(fù)現(xiàn)如下：

按單元間距進(jìn)行等間隔布陣，激勵端口名從左到右依次為1, 2, 3, ... ,10。

此時，在天線工作的中心頻率附近，其端口反射系數(shù)與最鄰近端口的隔離度均表現(xiàn)良好。

0 2 HFSS EditSource

HFSS中的陣列天線求解分析，可以通過Master-Slave構(gòu)造的周期邊界結(jié)構(gòu)方法進(jìn)行快速分析，然后利用有限大陣列的FA-DDM(Domain Decomposition Method)，即域分解法，進(jìn)行整陣仿真。不過本次仿真分析僅計算十單元線陣，因此直接采用全陣+空氣盒子輻射邊界條件求解。

和CST的CombineResults類似，HFSS的EditSource也可以在一次全陣仿真分析完后，對各單元的幅度的相位進(jìn)行任意值激勵并快速計算該組激勵下的有源駐波、遠(yuǎn)場方向圖等特性。

雖然我們可以通過點擊Save to file和Load from file按鈕來保存和載入各單元激勵的幅度和相位數(shù)據(jù)，但是涉及反復(fù)載入端口激勵信息時，人工操作就顯得捉襟見肘。

在這種情況下，我們的MATLAB-HFSS-API(HFSSAPI.Pro---升級版發(fā)布)就派上用場了。實操視頻如下： 0 3 有源反射系數(shù)綜合 對于單端口天線而言，我們只需要關(guān)注輸入端口的反射系數(shù)。但在陣列天線中，往往需要對多端口進(jìn)行激勵。在這種情況下，由于單元耦合的影響，陣列天線的端口反射波與入射波之比相較于其他端口接負(fù)載的情況會有所波動。大角度掃描時，單元的有源反射系數(shù)甚至?xí)眲夯Ｒ虼?，在陣列天線設(shè)計中，我們還需要關(guān)注有源反射系數(shù)的綜合。 對于等幅度激勵的電掃相控陣而言，第m行第n個單元的有源反射系數(shù)公式如下所示，經(jīng)過換算即可轉(zhuǎn)化為有源駐波比。

對于10*10的大陣列而言，如果需要綜合每個端口的有源反射系數(shù)。需要人為導(dǎo)出成千上萬個耦合參數(shù)(工程上可以忽略耦合度較弱的較遠(yuǎn)間隔的單元數(shù)據(jù))，這其中的工作量較大。因此，hfssapi包將是一大利器。

0 4 線陣的方向圖綜合

由于邊緣效應(yīng)和單元耦合的影響，對于實際的有限大陣列，其每個單元單獨激勵的方向圖函數(shù)是有一定差異的。因此，實際的陣列方向圖綜合，需要利用AEP(active element pattern)方法。該方法先仿真計算各單元單獨激勵(即，其他單元接匹配負(fù)載，不激勵)的單元方向圖;然后利用疊加原理將所有單元的單元方向圖進(jìn)行疊加，得到陣列的總輻射場。

利用hfssapi提取出各單元的單元方向圖數(shù)據(jù)，在matlab中可以很方便的綜合出任意幅相激勵的遠(yuǎn)場方向圖。雖然也可以像第二節(jié)所述，通過EditSource計算陣列方向圖特性。但是調(diào)用hfss進(jìn)行計算肯定是沒有matlab的矩陣運算快。

經(jīng)過簡單的matlab編程，我們可以導(dǎo)出上述10單元線陣的單元方向圖(這里提取主極化rEPhi的幅度和相位)數(shù)據(jù)，并將其按一定的格式保存到一個mat文件，以便反復(fù)調(diào)用。 值得注意的是，在提取上述數(shù)據(jù)前，最好將坐標(biāo)系搬移至線陣的中心位置并在遠(yuǎn)場設(shè)置中選擇搬移后的坐標(biāo)系為參考。對于利用疊加原理計算得到的rE數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步的公式轉(zhuǎn)換才能得到最終的實際增益。

下面詳細(xì)推導(dǎo)下rE和Gain之間的關(guān)系：

在HFSS中，rE是遠(yuǎn)區(qū)的電場強度與距離r的乘積值，由于任一方向上的電場強度表達(dá)式與距離r成反比，其乘積為一常數(shù)，因此rE是可以反映方向特性的。

增益Gain的定義可以表示為，

其中Pr是饋入功率。得出的增益是一個量綱為1的量。從公式可以看出，這里Gain其實就是HFSS中的RealizedGain

對于陣列天線而言，我們可以通過editsource修改各單元激勵的功率值。當(dāng)各端口功率值等比例放大時，rE會增加，但是由于最后增益的表達(dá)式里會除去一個輻射功率值，因此Gain會保持不變。

如下所示，對于10單元線陣進(jìn)行全陣激勵(各單元均1W激勵，相差為0°)的情況，理論計算的增益G=43.67，與HFSS計算值一致。

審核編輯：湯梓紅