波導縫隙天線的設計仿真

摘 要： 電磁仿真軟件HFSS以其高精度，高可靠性在電磁仿真設計中得到了廣泛的應用。但對于復雜天線的模型，其沒有很好的方法簡化建模操作，需要花費大量的設計時間。將HFSS提供的VBScript腳本語言功能作為接口，利用Matlab調用控制HFSS，從而協同HFSS建立模型，達到快速建模的目的。提出了一套波導縫隙陣天線的設計方法，設計一個波導縫隙陣天線，運用Matlab協同HFSS建立天線模型，并進行仿真分析。結果驗證了天線設計方法的準確性，以及運用Matlab調用HFSS建模的可行性。

關鍵詞： HFSS； Matlab； 波導縫隙天線； 協同仿真

中圖分類號： TN823.24?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）20?0014?03

波導縫隙陣列天線口徑幅度易于控制，具有輻射效率高，方向性強，結構緊湊等特點，而且容易實現低副瓣乃至極低副瓣，因此在雷達和通信領域有著廣泛的應用。高頻仿真軟件HFSS在電磁仿真領域有著廣泛的應用，有著高仿真精度、高穩定性的特點。使用HFSS的3D建模功能，可以很容易解決簡單的模型創建問題，但是對于復雜天線結構模型的建立，沒有特別有效的方法，使得建模過程十分繁瑣耗時，而且容易出錯。利用HFSS提供的VBScript腳本功能，可以對軟件進行二次開發，以VBScript作為接口，利用Matlab調用HFSS協同建模仿真，可以簡化模型建立的操作，節約設計時間。本文提出了一套波導縫隙天線的快速建模方法，設計了一個波導寬邊裂縫陣列天線。并以此波導縫隙天線為例，應用Matlab協同HFSS建立模型仿真，對仿真結果進行了分析。

1 基本理論

波導縫隙天線是在波導寬壁或窄壁上開縫的天線，波導中傳輸的電磁波可以通過縫隙向外界進行輻射。通常有寬邊偏置縫、寬邊傾斜縫、窄邊傾斜縫隙這幾種開縫形式。根據波導終端的形式不同，波導縫隙陣天線可以分為行波陣和駐波陣。行波陣的波導終端接吸收負載，單元間距稍大或稍小于[λg2]，駐波陣在距離終端[λg4]處接短路滑塊，單元間距均為[λg2]，本文設計的就是一個波導駐波陣天線。

1.1 波導縫隙天線理論分析

波導上的輻射縫隙向外界輻射能量，引起波導負載的變化，應用傳輸線理論分析波導的工作狀態比較方便，將相應的縫隙等效成與傳輸線串聯的阻抗或并聯的導納，再建立對應的等效電路模型，進而可以求出各個縫隙的等效阻抗或導納。 Stevenson等效電路法，就是根據傳輸線理論和波導模的格林函數導出矩形波導縫隙的計算公式[1]。圖1所示為波導寬邊縱向偏置縫隙及其等效電路。

圖1 波導寬邊偏置縫隙及其等效電路

歸一化等效諧振電導為：

式中：[a]為波導寬邊尺寸；[b]為波導窄邊尺寸；[d]為縫隙偏移量；[λg]為波導波長：

文獻[2]對比軟件仿真與式（1）計算結果誤差在[10-2]數量級，由此可見應用式（1）計算精度可以滿足設計要求。

1.2 波導縫隙駐波陣設計

按泰勒分布加權各縫隙激勵幅度，副瓣電平[Ro]，設計[N]單元波導寬邊偏置縫隙陣天線[3?4]。由副瓣電平[Ro]確定參數[A]：

[A=1πcosh-1（10Ro20）]

設等副瓣電平數為[n]，波束展寬因子可以確定為：

泰勒陣列各單元激勵幅度為：

式中：

因此，由式（2）可以計算出符合泰勒分布的各個縫隙的激勵幅度值[an]，代入到式（3）中：

求出各個縫隙的歸一化電導[g]，再將求出的歸一化電導值代入式（1）中，從而可以得出各個縫隙的偏移量[5?6]。

2 Matlab協同HFSS建模仿真

設計一個中心頻率為10 GHz，SLL=-25 dB，[n]=4，[N]= 21的波導縫隙陣天線。由式（1）～式（3）綜合出各個縫隙的激勵幅度[an]，縫隙偏移量[d]。縫隙的諧振長度可以通過HFSS仿真出來，仿真模型如圖2所示，縫寬設置縫隙長度[l]為掃描變量，滿足[im（Y）=0]時的[l]值即為縫隙諧振長度。

在Matlab中需設置[7]如下：設置HFSS以及生成的VBScript路徑；編寫波導模型、激勵以及邊界條件程序；運行m文件生成VBScript，調用HFSS建立模型見圖3。

選用波導尺寸22.86 mm×10.16 mm，波導壁厚1 mm，饋電端口距離縫隙中心[λg2]，末端縫隙中心距終端[λg4]，終端短路。從圖4駐波曲線可以看出在駐波小于2的帶寬約為150 MHz，由圖5可知E面方向圖波瓣寬度約為5°，H面方向圖波瓣寬度76°，天線增益為19.7 dB，第一副瓣-24.5 dB，滿足設計要求。

3 結 語

本文以泰勒幅度加權，設計了一個副瓣電平為-25 dB，縫隙數為21的波導寬邊裂縫天線。利用HFSS的VBScript功能作為接口，在Matlab中編寫相應的程序，生成VBScript腳本，進而調用HFSS建立了波導縫隙天線的模型，并進行了仿真分析。從仿真結果可以看出天線滿足設計要求，同時也說明了使用Matlab協同HFSS建模方法的可行性。當在建立更為復雜的天線模型時，例如波導的縫隙數量為幾十甚至幾百個時，因為各個縫隙參數不盡相同，無法在HFSS中利用簡單的復制操作批量完成，若將縫隙參數導入Matlab建模，則優勢十分明顯。

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