应用案例：宽角度波束扫描复合左右手漏波天线仿真

1. 摘要

本文基于 ANSYS HFSS 软件仿真分析一种新型的复合左右手漏波天线。通常,漏波天线的最大辐射方向随其工作频率的变化而变化,因而具有变频波束扫描功能。传统的周期结构漏波天线由于其传输特性包含带阻频段,因而无法实现在侧射平面内的连续波束扫描。文献 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. 中提出基于传统的传输线理论和传递函数分析的方法,可以构建一种对称结构的微带天线基本单元。如果这种微带天线基本单元的传输特性是带通的,那么这种基本单元本身就具备连续变频波束扫描功能。多个上述单元的级联,可以使得波束扫描范围扩大,从而灵活地构造具有连续宽角度波束扫描的复合左右手漏波天线。

本文首先详细叙述了新型复合左右手漏波天线的设计思路,然后仿真验证了具备对称结构的微带天线基本单元的传输特性和辐射特性(S 参数,侧射面最大辐射方向随频率的变化),最后仿真验证了由上述单元级联构成的复合左右手漏波天线的传输特性和辐射特性。

2. 基于传输线理论构建微带单元

基于传统的传输线理论,单一的微带贴片的传输特性可以用上图所示的电路等效。

上述公式中的d, w, l, h, g 分别对应贴片的通孔直径,贴片宽度,贴片长度,基板厚度和缝隙宽度(单位是 m)。

以上述的近似公式为基础,可以得到下图所示微带传输单元(其中包含了三个相对独立的贴片,位于中间的 Center Patch 和位于两端对称的 Outer Patch)的等效电路。其中,Outer Patch 中间包含缝隙,其等效电路参数的计算和上述的计算公式稍有区别。

基于电路和信号与系统的基本理论,可以根据设计需求(截止频率),优化计算出

等电路参数,从而优化确定微带传输单元的结构参数。

3. 基本单元仿真

在 HFSS 中建立的基本单元如上图所示,其中主要结构参数包括(基板材质为相对介电常数 2.33,损耗角正切 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。基本单元的两端用微带线引出(宽度 1.7mm),并在基板边缘截面施加阻抗特性为 50ohm 的激励。

仿真频段设置为 4.5GHz 至 6.5GHz,应用 HFSS->Toolkits->Wavelength Calculator 计算 4.5GHz 的对应波长为 66mm 左右,因此设置仿真区域距离模型 17mm(略大于 1/4 波长),并设置仿真区域边界条件为辐射边界条件。

仿真频率设置为中间频率 5.5GHz,为分析传输特性(S 参数)添加频率扫描 4.5GHz 至 6.5GHz(Sweep Type 为 Fast),为分析波束扫描特性添加频率扫描 5.1GHz 至 6.1GHz(Sweep Type 为 Discrete,远场数据保存),并在 XOZ 平面建立远场辐射面(Far Field Radiation Sphere Setup)。

仿真结果如下图所示:基本单元的传输特性是带通的(4.94GHz 至 6.04GHz)。观察基本单元从 5.1GHz 至 6.1GHz(间隔 0.2GHz)在侧射面的最大辐射方向逐步从负角度过度到正角度(-23 度、-19 度、-15 度、-10 度、9 度、23 度)。

4. 天线整体仿真

将上述基本单元进行级联(9 个),两端的馈电方式不变,基板整体长度设置为 252.75mm,就构造得到了如下图所示的复合左右手漏波天线。

仿真结果如下图所示:漏波天线的传输特性是带通的(4.93GHz 至 6.05GHz)。观察基本单元从 5.1GHz 至 6.1GHz(间隔 0.2GHz)在侧射面的最大辐射方向逐步从负角度过度到正角度(-40 度、-19 度、1 度、15 度、33 度、63 度)。相对于基本单元,传输带宽基本不变,扫描角度范围更大。