基于MATLAB和HFSS聯(lián)合仿真的平面反射陣列天線

本案例設(shè)計(jì)了一種單層風(fēng)車型單元，以拓寬反射陣列天線的帶寬。為了獲得足夠的相位范圍，利用風(fēng)車環(huán)貼片和圓環(huán)貼片來實(shí)現(xiàn)多諧振狀態(tài)。所提出的單元在HFSS仿真獲得了473.6°相位范圍的線性相移曲線。在此基礎(chǔ)上，所提出的單元在27.5GHz到42.5GHz范圍內(nèi)，大部分相移曲線保持平行，這表明所提出的單元具有寬帶特性。為此，我們設(shè)計(jì)、仿真、加工和測試了由400個單元組成的方形孔徑80mm×80mm的單層偏饋天線原型。通過詳細(xì)測量，在37 GHz下，主波束的峰值增益為27.86 dBi，孔徑效率為51.7%。此外，3-dB增益為35.71%（27.5GHz-40GHz）。

對于高增益天線，反射陣列天線（RA）結(jié)合了拋物面天線和相控陣的優(yōu)點(diǎn)，是5G系統(tǒng)的良好候選者。由于大孔徑和空間饋電方式，反射陣列可以通過調(diào)整表面單元的結(jié)構(gòu)輻射高增益筆形波束。然而，限制RA在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用的主要是帶寬窄。為了拓寬RA的帶寬，已經(jīng)做出了許多努力，其中使用最多的是多層和單層多諧振技術(shù)。對于多層多諧振技術(shù)，使用兩個或多層電介質(zhì)來形成多個諧振點(diǎn)?？梢酝ㄟ^優(yōu)化多層貼片的相應(yīng)參數(shù)來調(diào)整相移曲線的線性和范圍。雖然可以增加帶寬但卻增加了制造難度和成本，而且容易引入對準(zhǔn)誤差。對于單層多諧振技術(shù)，使用具有低剖面和低成本的單層介質(zhì)基板可以獲得類似的結(jié)果。為此，本案例利用單層多諧振技術(shù)構(gòu)建了一個寬帶反射陣列。

對于一個RA天線，一般包含以下3個基本步驟：

單元設(shè)計(jì)

本案例了提出了一個基于尺寸變化型和旋轉(zhuǎn)型單元的混合調(diào)相單元，圖1所示。風(fēng)車環(huán)貼片的尺寸和方向隨著θ的變化而同時變化。當(dāng)圓環(huán)貼片和風(fēng)車環(huán)貼片達(dá)到諧振尺寸時，可以產(chǎn)生雙諧振振以擴(kuò)大相位范圍。這意味著所提出的單元是一種混合相變結(jié)構(gòu)，它使用了諧振和幾何相位調(diào)制。當(dāng)θ從57.6°變化到309.6°時，所提出的單元可以在35GHz下獲得473.6°的相移范圍，且損耗低，證明所提出的原子可以產(chǎn)生全相位覆蓋，如圖2所示。這意味著所提出的單元在反射相位曲線的線性方面具有顯著的優(yōu)勢，這是寬帶特性的重要因素。

為了實(shí)現(xiàn)后續(xù)RA的良好輻射性能，必須考慮入射角對單元反射特性的影響，如圖3所示。當(dāng)θi從0°變化到40°時，反射相位和幅度變化不大。這表明，反射相位和幅度對入射角的改變不敏感。根據(jù)圖4顯示，在整個27.5 GHz至40 GHz范圍內(nèi)，相位偏轉(zhuǎn)的變化量同樣很小，這意味著相移曲線在寬頻帶上保持穩(wěn)定的趨勢。

圖1 單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 35GHz時單元反射相位與幅度

圖3 不同入射角的反射特性

圖4 不同頻率下的反射特性

饋源設(shè)計(jì)

本案例使用KA頻段的線極化角錐喇叭。首先使用HFSS確定好喇叭的相位中心。為了保證陣面的照射效率且減小饋源和RA之間的遮擋影響，饋源的相位中心與RA的垂直距離為80mm（F/D=1）,入射角與反射角和RA中心的夾角設(shè)為15°。

陣面組裝

準(zhǔn)備好單元和饋源，緊接著就是計(jì)算陣面單元需要補(bǔ)償?shù)南辔唬员闶侨肷洳ㄊ?jīng)過RA后能形成指定方向的反射波束。計(jì)算公式如下：

其中k0是自由空間中的傳播常數(shù)。饋電相位中心與第n個單元中心之間的距離表示為dmn，r0表示主波束的單位矢量。rmn是第mn個元素的位置矢量。同時，結(jié)合單元相移曲線，利用matlab程序得出單元大小。

最后，利用上文求出的單元大小，使用matlab和hfss聯(lián)合仿真自動化建模（github代碼庫參考 https://github.com/YuJie2020/MATLAB-HFSS-API），天線整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。為了驗(yàn)證HFSS的仿真結(jié)果，我們加工了天線實(shí)物進(jìn)行測試，實(shí)物圖見圖6。測試結(jié)果和仿真接近，如圖7所示。可以看到，模擬結(jié)果與測量結(jié)果具有相同的趨勢。測得的峰值增益為27.86dBi，頻率為37GHz，相應(yīng)的孔徑效率為51.7%。此外，在模擬結(jié)果中觀察到27.5GHz-42.5GHz（相對帶寬為42.86%）頻率上的增益變化小于3dB。然而，由于VNA的頻率限制，RA增益測量的最大頻率只能達(dá)到40GHz。因此，測得的3dB增益帶寬為35.71%（27.5GHz-40GHz）。

圖5 天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 天線加工模型

(a)

(b)

圖7 (a)35Ghz時仿真與測試歸一化方向圖; (b) 仿真與測量的增益和口徑效率與頻率的關(guān)系

總之，本案例提出了一種由圓環(huán)貼片和風(fēng)車環(huán)貼片組成的新型風(fēng)車單元。所提出的單元具有混合調(diào)相機(jī)制。通過HFSS優(yōu)化參數(shù)，獲得了覆蓋473.6°相移范圍的線性相移曲線?；谠搯卧?，先在HFSS進(jìn)行仿真計(jì)算，取得滿意的效果后，加工了孔徑尺寸為80mm×80mm的單層Ka波段偏置饋電樣品，并在寬頻率范圍內(nèi)進(jìn)行了測試。測量的峰值增益為27.86dBi，孔徑效率為51.7%，測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。

審核編輯：湯梓紅