基于HFSS的機載信標接收機天線設計

1 引言

目前，作為機載信標接收機廣泛采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度的水平振子構(gòu)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(guī)定，信標接收機的工作中心頻率為75MHz，通過HFSS軟件仿真對天線的饋電點、電容、電感進行了優(yōu)化設計，使其在中心頻率在75MHz上實現(xiàn)良好的阻抗匹配，要求其天線的電壓駐波比（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(diào)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(diào)電容器c3，分別連接e、f點接地。其中電容器c2和微調(diào)電容器a串聯(lián)，然后和bd并聯(lián)，通過轉(zhuǎn)動微調(diào)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(nèi)導體在點連接振子，振子的全長應小于四分之一波長。天線的輸入阻抗取決于振子上c點的位置，即取決于bc、cd兩段振子的長度，調(diào)整、優(yōu)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范圍內(nèi)，即要求具有最大輻射方向垂直向下的心臟形方向圖。因此，本信標天線的設計采用一種非對稱的振子天線，將其臂彎成直角，即構(gòu)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(gòu)成主要由非對稱振子天線上電流分布所產(chǎn)生的場強的幅值和相位的不同來實現(xiàn)的。

圖1 信標天線示意圖

3 HFSS的天線建模

結(jié)合上面的原理分析，設計一個工作頻率為75MHZ的信標天線，采用HFSS仿真軟件進行參數(shù)化建模，饋線的特性阻抗為50Ω，采用集總饋電。對信標天線進行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行網(wǎng)格剖分，為了減少網(wǎng)格剖分的數(shù)目，其手動剖分網(wǎng)格模型如下圖3所示。

加載電容在圖3標志區(qū)域上畫出一個矩形片，放大后如圖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(shù)化設置；同理，對電感加載進行參數(shù)化設置。然后，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于四分之一波長，邊界并非越大越好，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(wǎng)格剖分

圖4 電容加載位置

4 仿真結(jié)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(yōu)化，取C3 = 8.5 pF，L = 0.18μH，對L1從29mm~32mm進行優(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，其回波損耗遠大于-10db，沒有實際工程意義。當L1從30mm~32mm優(yōu)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頻率范圍內(nèi)，繼續(xù)調(diào)節(jié)、優(yōu)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(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

圖6 VSWR與頻率關(guān)系曲線

由圖6可知，優(yōu)化可變電容C3值時，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，在頻率74.991MHZ處，駐波比為1.60。在74.9MHZ~75.1MHZ頻率范圍內(nèi)，通過優(yōu)化電感L值，來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

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，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，滿足頻偏±15kHz的要求，滿足了工程設計要求。

圖8 VSWR與頻率關(guān)系曲線

4.2 天線表面電流分布

天線表面的電流分布的HFSS仿真結(jié)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(jié)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，軟件仿真的增益 -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(jié)論

本文設計、仿真了一種機載信標接收機天線，基于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(jīng)過對天線參數(shù)的仿真和優(yōu)化，得到了滿意的電性能參數(shù)，從而驗證了信標天線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。