基于HFSS的機(jī)載信標(biāo)接收機(jī)天線設(shè)計(jì)

1 引言

目前，作為機(jī)載信標(biāo)接收機(jī)廣泛采用的天線是電小天線，即天線的尺寸與工作波長(zhǎng)相比很小。此時(shí)，可以把天線看成是一個(gè)帶有少量輻射的電感器、電容器或兩者的某種組合，通過加載的方式達(dá)到使天線小型化的設(shè)計(jì)要求。信標(biāo)天線采用突出的、其輻射振子端部由加載容性負(fù)載而使其縮短了長(zhǎng)度的水平振子構(gòu)成。置在機(jī)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(biāo)接收機(jī)的工作中心頻率為75MHz，通過HFSS軟件仿真對(duì)天線的饋電點(diǎn)、電容、電感進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其在中心頻率在75MHz上實(shí)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(shè)計(jì)原理

機(jī)載信標(biāo)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(gè)孔槽，用導(dǎo)線加載一個(gè)電感，連接到底板上的同軸饋電點(diǎn)上，通過調(diào)整電感值來達(dá)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(fù)載電容器c1和微調(diào)電容器c3，分別連接e、f點(diǎn)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(dòng)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(dǎo)體在點(diǎn)連接振子，振子的全長(zhǎng)應(yīng)小于四分之一波長(zhǎng)。天線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(zhǎng)度，調(diào)整、優(yōu)化c點(diǎn)的位置,可以找到使天線輸入阻抗接近饋線波阻抗的點(diǎn)，即達(dá)到天線的阻抗匹配。通過對(duì)天線的加載來控制天線上的電流分布，進(jìn)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(biāo)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(biāo)天線的設(shè)計(jì)采用一種非對(duì)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(biāo)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(duì)稱振子天線上電流分布所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的幅值和相位的不同來實(shí)現(xiàn)的。

圖1 信標(biāo)天線示意圖

3 HFSS的天線建模

結(jié)合上面的原理分析，設(shè)計(jì)一個(gè)工作頻率為75MHZ的信標(biāo)天線，采用HFSS仿真軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，饋線的特性阻抗為50Ω，采用集總饋電。對(duì)信標(biāo)天線進(jìn)行HFSS軟件建模，其中X軸負(fù)方向?yàn)轱w機(jī)航向、Y軸為飛機(jī)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(duì)研究對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格剖分，為了減少網(wǎng)格剖分的數(shù)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(biāo)志區(qū)域上畫出一個(gè)矩形片，放大后如圖4所示。通過在邊界條件Lumped RLC Boundary中設(shè)置電容值，對(duì)可變電容器進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置；同理，對(duì)電感加載進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置。然后，設(shè)置激勵(lì)和求解方式，設(shè)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(zhǎng)，邊界并非越大越好，邊界太大會(huì)顯著影響計(jì)算時(shí)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(shè)置為75MHZ，通過對(duì)可變電容C3、電感L、C點(diǎn)距底板的長(zhǎng)度L1的值在74.7MHZ~75.3MZH進(jìn)行優(yōu)化，取C3 = 8.5 pF，L = 0.18μH，對(duì)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(dāng)L1取29mm時(shí)，其回波損耗遠(yuǎn)大于-10db，沒有實(shí)際工程意義。當(dāng)L1從30mm~32mm優(yōu)化時(shí)，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(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

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(shí)，在中心頻率75MHZ上下產(chǎn)生了不同程度的頻移。當(dāng)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(nèi)，通過優(yōu)化電感L值，來達(dá)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(duì)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

由前面的仿真優(yōu)化，最終確定了當(dāng)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，滿足頻偏±15kHz的要求，滿足了工程設(shè)計(jì)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(shí)，天線橫臂端處形成最大的輻射面電流，即有最大的遠(yuǎn)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 天線表面的電流分布

4.3 遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖

在HFSS中，設(shè)置仿真頻率74.9MHZ~75.1MHZ，對(duì)信標(biāo)天線進(jìn)行仿真，得到其三維遠(yuǎn)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(jié)果上可以看到，H面方向圖的最大輻射面在當(dāng)Phi= -90°時(shí)，即天線的最大輻射方向沿Y軸負(fù)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(dá)到了我們對(duì)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、仿真了一種機(jī)載信標(biāo)接收機(jī)天線，基于對(duì)機(jī)載天線的空間布局和對(duì)飛機(jī)的整體氣動(dòng)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(duì)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(yàn)證了信標(biāo)天線設(shè)計(jì)理論的正確性和HFSS軟件準(zhǔn)確、可靠的仿真性能，本設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性。