基於HFSS的機載信標接收機天線設計

2020-12-23 電子產品世界

1 引言

目前，作為機載信標接收機廣泛採用的天線是電小天線，即天線的尺寸與工作波長相比很小。此時，可以把天線看成是一個帶有少量輻射的電感器、電容器或兩者的某種組合，通過加載的方式達到使天線小型化的設計要求。信標天線採用突出的、其輻射振子端部由加載容性負載而使其縮短了長度的水平振子構成。置在機身的下部，並具有最大輻射方向垂直向下的方向圖。按照國際協議規定，信標接收機的工作中心頻率為75MHz，通過HFSS軟體仿真對天線的饋電點、電容、電感進行了優化設計，使其在中心頻率在75MHz上實現良好的阻抗匹配，要求其天線的電壓駐波比（VSWR）小於2，水平極化方向圖為心臟形方向圖。

2 設計原理

機載信標天線工作原理示意圖如下圖1所示 ，天線振子的一端b用螺釘連接在槽的窄壁上,在窄壁上開一個孔槽，用導線加載一個電感，連接到底板上的同軸饋電點上，通過調整電感值來達到阻抗耦合匹配的目的。而振子的另一端d連接在絕緣體上，在輻射器的該端的d點處焊接有負載電容器c1和微調電容器c3，分別連接e、f點接地。其中電容器c2和微調電容器a串聯，然後和bd並聯，通過轉動微調電容器來改變其電容值。

從圖1可以看出，振子是由分流電路饋電的，同軸電纜內導體在點連接振子，振子的全長應小於四分之一波長。天線的輸入阻抗取決于振子上c點的位置，即取決於bc、cd兩段振子的長度，調整、優化c點的位置,可以找到使天線輸入阻抗接近饋線波阻抗的點，即達到天線的阻抗匹配。通過對天線的加載來控制天線上的電流分布，進而改變天線的輸入阻抗、方向圖特性和天線的效率，以此來提高天線的帶寬。

信標天線輻射集中在狹窄的與地面垂直的圓錐範圍內，即要求具有最大輻射方向垂直向下的心臟形方向圖。因此，本信標天線的設計採用一種非對稱的振子天線，將其臂彎成直角，即構成了倒F形天線，從而使信標天線得到了具有垂直向下的心臟形方向圖，其心臟形方向圖的構成主要由非對稱振子天線上電流分布所產生的場強的幅值和相位的不同來實現的。

圖1 信標天線示意圖

結合上面的原理分析，設計一個工作頻率為75MHZ的信標天線，採用HFSS仿真軟體進行參數化建模，饋線的特性阻抗為50Ω，採用集總饋電。對信標天線進行HFSS軟體建模，其中X軸負方向為飛機航向、Y軸為飛機高度方向、Z軸為翼展方向，模型圖如圖2所示。HFSS軟體是基於有限元法對研究對象進行網格剖分，為了減少網格剖分的數目，其手動剖分網格模型如下圖3所示。

加載電容在圖3標誌區域上畫出一個矩形片，放大後如圖4所示。通過在邊界條件Lumped RLC Boundary中設置電容值，對可變電容器進行參數化設置；同理，對電感加載進行參數化設置。然後，設置激勵和求解方式，設置輻射邊界時要求空氣盒子尺寸合適。一般要求其邊界到實際幾何模型任何部分的距離大於四分之一波長，邊界並非越大越好，邊界太大會顯著影響計算時間和精度。

圖2 天線HFSS模型

圖3 天線HFSS模型網格剖分

圖4 電容加載位置

4 仿真結果分析

4.1 駐波比

仿真中心頻率設置為75MHZ，通過對可變電容C3、電感L、C點距底板的長度L1的值在74.7MHZ~75.3MZH進行優化，取C3 = 8.5 pF，L = 0.18μH，對L1從29mm~32mm進行優化，得到其電壓駐波比（VSWR）如下圖5所示。由圖5可知，當L1取29mm時，其回波損耗遠大於-10db，沒有實際工程意義。當L1從30mm~32mm優化時，隨著L1的增加，其中心頻率逐漸接近75MHZ，但駐波比變大了。

通過在74.8MHZ~75.2MHZ頻率範圍內，繼續調節、優化可變電容C3來減少頻偏，但同時要保證不使駐波比增大。為此，取L1 = 30.5mm，L = 0.18μH，C3從8.2 pF~8.6 pF進行優化，其優化後的電壓駐波比（VSWR）如下圖6所示。

圖5 VSWR與頻率關係曲線

圖6 VSWR與頻率關係曲線

由圖6可知，優化可變電容C3值時，在中心頻率75MHZ上下產生了不同程度的頻移。當取C3 = 8.374 pF時，在頻率74.991MHZ處，駐波比為1.60。在74.9MHZ~75.1MHZ頻率範圍內，通過優化電感L值，來達到減少駐波比的目的，由前面的優化確定了L1=30.5mm，C3 = 8.374pF，對L從0.175μH~0.185μH進行優化，得到其優化後的電壓駐波比（VSWR）如下圖7所示。

圖7 VSWR與頻率關係曲線

由前面的仿真優化，最終確定了當L1=30.5mm，C3 = 8.374pF，L = 0.1845μH時，仿真後的電壓駐波比（VSWR）如下圖8所示，得到在中心頻率75MHz處駐波比為1.55，其阻抗帶寬（回波損耗小於10dB）為100KHZ，滿足頻偏±15kHz的要求，滿足了工程設計要求。

圖8 VSWR與頻率關係曲線

4.2 天線表面電流分布

天線表面的電流分布的HFSS仿真結果如下圖9所示，從中可以看出電流矢量方向隨相位的變化而變化，在0°相位和90°相位時，天線橫臂端處形成最大的輻射面電流，即有最大的遠場輻射方向，在180°相位時，輻射電流最小。

(a) 0°相位 (b) 90°相位

(c) 180°相位

圖9 天線表面的電流分布

4.3 遠場輻射方向圖

在HFSS中，設置仿真頻率74.9MHZ~75.1MHZ，對信標天線進行仿真，得到其三維遠場方向圖如下圖10所示。二維H、E面方向圖如下圖11、12所示從仿真結果上可以看到，H面方向圖的最大輻射面在當Phi= -90°時，即天線的最大輻射方向沿Y軸負方向垂直向下，其方向圖為心臟形；E面方向圖為水平全向，軟體仿真的增益 -1.5dB，達到了我們對設計天線的要求。

圖10 三維輻射方向圖

圖11 H面方向圖

圖12 E面方向圖

5 結論

本文設計、仿真了一種機載信標接收機天線，基於對機載天線的空間布局和對飛機的整體氣動性考慮，從天線加載的角度來減小天線的體積，通過利用集總元件來縮小天線的尺寸。經過對天線參數的仿真和優化，得到了滿意的電性能參數，從而驗證了信標天線設計理論的正確性和HFSS軟體準確、可靠的仿真性能，本設計方案具有一定的可行性。

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