基于HFSS的H型天线的仿真设计

武警工程大学研究生管理大队 王怀强

1 引言

目前，SAR基本上是工作在X波段及频率更高的频段，由于频率过高，基本上不能穿透树叶辐射探测[导师论文]。而UHF波段的SAR辐射的电磁波具有很强的穿透绕射能力，能穿透土壤、树林等障碍物，探测地下目标的效果较好，是SAR研究的热点[1]。由于UHF波段频率较低，所对应工作波长较长，按照常规的线面天线的设计，天线的尺寸较大，无法应用到飞机平台上。因此，研究低剖面、重量轻的天线逐渐成为国内外机载天线的研究热点。

本文设计的H形天线是双面印制天线，采用快速集成电路的共面波导金属绝缘半导体工艺，将厚度极小的金属薄片分别印刷在介质基板的正反两面，所以两个天线基本一样、形状均是“H”形。该天线剖面低，容易与飞机平台做到共形。

2 H型天线理论

天线的尺寸和介质的介电常数对天线性能的影响很大，天线的宽度几近于λ/10，高度接近于λ/5时，改变天线的宽度以及馈电点的位置，可以让天线工作在一个宽频带内。与设计其他UHF天线一样，在设计这种天线时，需要模拟一个金属地板上，存在镜像效应，才能提高增益，拓展带宽、改善驻波比[2,3]。

2.1 H形天线的馈电结构

为了防止绕射带来的理论设计误差，采用一种加大外导体外径的办法，即在馈电点和地面之间增加一段不连续性硬同轴线，其特性阻抗不等于50欧姆。使天线与馈线达到阻抗匹配，同时屏蔽了馈线存在的辐射干扰。硬同轴线的一端与传输线相连，另一端的内导体与天线相连接，外导体则与馈线边缘相近。图1为天线的T形馈电结构。

图1 T形馈电结构

通过延长同轴线内导体来给辐射体的两个无限薄金属板馈电，外导体则与天线垂直的金属平面地板连接，为了保证对辐射体馈电的对称性，应加装平衡器。软同轴线的特性阻抗为50Ω，当同轴线直接在H形天线凹槽底部馈电时，天线的特性阻抗对馈电点特别敏感，此时天线的输入阻抗值 随频率变化，在工作频带的低频端，天线的电抗部分较大。此时，天线的驻波值起伏较大，不能满足设计要求。

H形天线的底部并不接地，而是与金属地板间留有一定的间隙，此间隙可等效为一并联电容，它将影响H形辐射体在中部馈电点的输入阻抗。在理想的情况下，天线两端的电流应为零。实验结果表明位于天线底端的电流不为零，原因是底部与地面存在分布电容。通过调整天线与地面之间的距离变化可改变天线底端分布电容的影响。

2.2 绕射场的影响

外导体接地后，内导体有一段长度被孤立延伸出来，与靠近馈电区的天线底边产生散射，从而在金属贴片的底部激励起二次电流。特别是当采取中馈的方式时，馈电点距接地板较远，使得同轴内导体延长成为一次辐射体。H形贴片天线变成了该辐射体的顶加载，对天线性能影响很大。

当在馈电点位于天线辐射体的中部时，电流I沿金属贴片和同轴线内导体进入天线中部，高频电流在金属贴片的周围产生的绕射电磁场，可以表示为：

3 天线仿真设计

Ansof t HFSS软件是一种通用的高频结构电磁场仿真软件，其高效、准确的仿真分析，赢得了许多微波工程师的青睐，被广泛地应用在微波器件的仿真设计中。本文利用HFSS软件仿真设计H型天线，并对天线的主要性能进行分析。

天线的H形贴片长设置为18.9cm，宽设置为10cm，H型凹槽设置为3.5cm，宽设置为3.3cm。天线的结构是在介电常数为2.7的H型介质基板的两面镀上金属薄片，介质基板的厚度设置为0.14cm，天线的馈电点位于天线的中部，馈线的外导体半径设置为0.7cm，长度设置为为4.2cm，馈线的内导体的半径设置为0.1cm，长度设置为4.4cm，加大的同轴线外导体外径的半径为1.5cm，外导体和内导体之间填充介电常数为2.1的Tef l on材料，延长内导体到天线的中部馈电，扫频范围为200－800MHz，中心频率设计为350MHz，迭代12次。H形天线的仿真模型如图2所示。

图2 H形天线仿真模型

实验结果如图3、图4所示。

图3 外圈长度对工作带宽的影响

图4 外圈长度对增益的影响

由上图可以得知T形阻抗变换器的L2等于0.15cm时，天线的增益为2.6186dB，工作带宽为178MHz，仿真结果符合机载天线的基本要求。

4 结束语

本文分析了飞机平台上的UHF天线的要求，利用HFSS仿真设计了一款H型天线，并对天线的馈电结构进行了分析，得出了天线的仿真结果，仿真结果表明天线的性能符合机载天线的基本要求。

[1]卢晓鹏,张玉梅,倪华.一种用于机载SAR的UHF波段超宽带天线[J].雷达科学与技术,2004,2(1).

[2]J.J.Lee,S.Livingston,R.Sauer,G.Crandall.A UHF Wide-Band SAR Antenna.IEEE Phased Array Systems and Technology Proceedings,2000:437-440.

[3]李萍,梁昌洪,等.UHF雷达天线馈源的研究[J].西安电子科技大学学报,2004,31(2).