基于HFSS的機載信標接收機天線(xiàn)設計

1 引言

目前，作為機載信標接收機廣泛采用的天線(xiàn)是電小天線(xiàn)，即天線(xiàn)的尺寸與工作波長(cháng)相比很小。此時(shí)，可以把天線(xiàn)看成是一個(gè)帶有少量輻射的電感器、電容器或兩者的某種組合，通過(guò)加載的方式達到使天線(xiàn)小型化的設計要求。信標天線(xiàn)采用突出的、其輻射振子端部由加載容性負載而使其縮短了長(cháng)度的水平振子構成。置在機身的下部，并具有最大輻射方向垂直向下的方向圖。按照國際協(xié)議規定，信標接收機的工作中心頻率為75MHz，通過(guò)HFSS軟件仿真對天線(xiàn)的饋電點(diǎn)、電容、電感進(jìn)行了優(yōu)化設計，使其在中心頻率在75MHz上實(shí)現良好的阻抗匹配，要求其天線(xiàn)的電壓駐波比（VSWR）小于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(xiàn)工作原理示意圖如下圖1所示 ，天線(xiàn)振子的一端b用螺釘連接在槽的窄壁上,在窄壁上開(kāi)一個(gè)孔槽，用導線(xiàn)加載一個(gè)電感，連接到底板上的同軸饋電點(diǎn)上，通過(guò)調整電感值來(lái)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(diǎn)處焊接有負載電容器c1和微調電容器c3，分別連接e、f點(diǎn)接地。其中電容器c2和微調電容器a串聯(lián)，然后和bd并聯(lián)，通過(guò)轉動(dòng)微調電容器來(lái)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(diǎn)連接振子，振子的全長(cháng)應小于四分之一波長(cháng)。天線(xiàn)的輸入阻抗取決于振子上c點(diǎn)的位置，即取決于bc、cd兩段振子的長(cháng)度，調整、優(yōu)化c點(diǎn)的位置,可以找到使天線(xiàn)輸入阻抗接近饋線(xiàn)波阻抗的點(diǎn)，即達到天線(xiàn)的阻抗匹配。通過(guò)對天線(xiàn)的加載來(lái)控制天線(xiàn)上的電流分布，進(jìn)而改變天線(xiàn)的輸入阻抗、方向圖特性和天線(xiàn)的效率，以此來(lái)提高天線(xiàn)的帶寬。

信標天線(xiàn)輻射集中在狹窄的與地面垂直的圓錐范圍內，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(xiàn)的設計采用一種非對稱(chēng)的振子天線(xiàn)，將其臂彎成直角，即構成了倒F形天線(xiàn)，從而使信標天線(xiàn)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(chēng)振子天線(xiàn)上電流分布所產(chǎn)生的場(chǎng)強的幅值和相位的不同來(lái)實(shí)現的。

圖1 信標天線(xiàn)示意圖

3 HFSS的天線(xiàn)建模

結合上面的原理分析，設計一個(gè)工作頻率為75MHZ的信標天線(xiàn)，采用HFSS仿真軟件進(jìn)行參數化建模，饋線(xiàn)的特性阻抗為50Ω，采用集總饋電。對信標天線(xiàn)進(jìn)行HFSS軟件建模，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軟件是基于有限元法對研究對象進(jìn)行網(wǎng)格剖分，為了減少網(wǎng)格剖分的數目，其手動(dòng)剖分網(wǎng)格模型如下圖3所示。

加載電容在圖3標志區域上畫(huà)出一個(gè)矩形片，放大后如圖4所示。通過(guò)在邊界條件Lumped RLC Boundary中設置電容值，對可變電容器進(jìn)行參數化設置；同理，對電感加載進(jìn)行參數化設置。然后，設置激勵和求解方式，設置輻射邊界時(shí)要求空氣盒子尺寸合適。一般要求其邊界到實(shí)際幾何模型任何部分的距離大于四分之一波長(cháng)，邊界并非越大越好，邊界太大會(huì )顯著(zhù)影響計算時(shí)間和精度。

圖2 天線(xiàn)HFSS模型

圖3 天線(xiàn)HFSS模型網(wǎng)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(guò)對可變電容C3、電感L、C點(diǎn)距底板的長(cháng)度L1的值在74.7MHZ~75.3MZH進(jìn)行優(yōu)化，取C3 = 8.5 pF，L = 0.18μH，對L1從29mm~32mm進(jìn)行優(yōu)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(shí)，其回波損耗遠大于-10db，沒(méi)有實(shí)際工程意義。當L1從30mm~32mm優(yōu)化時(shí)，隨著(zhù)L1的增加，其中心頻率逐漸接近75MHZ，但駐波比變大了。

通過(guò)在74.8MHZ~75.2MHZ頻率范圍內，繼續調節、優(yōu)化可變電容C3來(lái)減少頻偏，但同時(shí)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(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化后的電壓駐波比（VSWR）如下圖6所示。

圖5 VSWR與頻率關(guān)系曲線(xiàn)

圖6 VSWR與頻率關(guān)系曲線(xiàn)

由圖6可知，優(yōu)化可變電容C3值時(shí)，在中心頻率75MHZ上下產(chǎn)生了不同程度的頻移。當取C3 = 8.374 pF時(shí)，在頻率74.991MHZ處，駐波比為1.60。在74.9MHZ~75.1MHZ頻率范圍內，通過(guò)優(yōu)化電感L值，來(lái)達到減少駐波比的目的，由前面的優(yōu)化確定了L1=30.5mm，C3 = 8.374pF，對L從0.175μH~0.185μH進(jìn)行優(yōu)化，得到其優(yōu)化后的電壓駐波比（VSWR）如下圖7所示。

圖7 VSWR與頻率關(guān)系曲線(xiàn)

由前面的仿真優(yōu)化，最終確定了當L1=30.5mm，C3 = 8.374pF，L = 0.1845μH時(shí)，仿真后的電壓駐波比（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（回波損耗小于10dB）為100KHZ，滿(mǎn)足頻偏±15kHz的要求，滿(mǎn)足了工程設計要求。

圖8 VSWR與頻率關(guān)系曲線(xiàn)

4.2 天線(xiàn)表面電流分布

天線(xiàn)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(shí)，天線(xiàn)橫臂端處形成最大的輻射面電流，即有最大的遠場(chǎng)輻射方向，在180°相位時(shí)，輻射電流最小。

(a) 0°相位 (b) 90°相位

(c) 180°相位

圖9 天線(xiàn)表面的電流分布

4.3 遠場(chǎng)輻射方向圖

在HFSS中，設置仿真頻率74.9MHZ~75.1MHZ，對信標天線(xiàn)進(jìn)行仿真，得到其三維遠場(chǎng)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(shí)，即天線(xiàn)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，軟件仿真的增益 -1.5dB，達到了我們對設計天線(xiàn)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(xiàn)，基于對機載天線(xiàn)的空間布局和對飛機的整體氣動(dòng)性考慮，從天線(xiàn)加載的角度來(lái)減小天線(xiàn)的體積，通過(guò)利用集總元件來(lái)縮小天線(xiàn)的尺寸。經(jīng)過(guò)對天線(xiàn)參數的仿真和優(yōu)化，得到了滿(mǎn)意的電性能參數，從而驗證了信標天線(xiàn)設計理論的正確性和HFSS軟件準確、可靠的仿真性能，本設計方案具有一定的可行性。