基于HFSS的机载信标接收机天线设计

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                1  引言

                         目前，作为机载信标接收机广泛采用的天线是电小天线，即天线的尺寸与工作波长相比很小。此时，可以把天线看成是一个带有少量辐射的电感器、电容器或两者的某种组合，通过加载的方式达到使天线小型化的设计要求。信标天线采用突出的、其辐射振子端部由加载容性负载而使其缩短了长度的水平振子构成。置在机身的下部，并具有最大辐射方向垂直向下的方向图。按照国际协议规定，信标接收机的工作中心频率为75MHz，通过HFSS软件仿真对天线的馈电点、电容、电感进行了优化设计，使其在中心频率在75MHz上实现良好的阻抗匹配，要求其天线的电压驻波比（VSWR）小于2，水平极化方向图为心脏形方向图。
                          
                        2  设计原理

                         机载信标天线工作原理示意图如下图1所示 ，天线振子的一端b用螺钉连接在槽的窄壁上,在窄壁上开一个孔槽，用导线加载一个电感，连接到底板上的同轴馈电点上，通过调整电感值来达到阻抗耦合匹配的目的。而振子的另一端d连接在绝缘体上，在辐射器的该端的d点处焊接有负载电容器c1和微调电容器c3，分别连接e、f点接地。其中电容器c2和微调电容器a串联，然后和bd并联，通过转动微调电容器来改变其电容值。
                          
                         从图1可以看出，振子是由分流电路馈电的，同轴电缆内导体在点连接振子，振子的全长应小于四分之一波长。天线的输入阻抗取决于振子上c点的位置，即取决于bc、cd两段振子的长度，调整、优化c点的位置,可以找到使天线输入阻抗接近馈线波阻抗的点，即达到天线的阻抗匹配。通过对天线的加载来控制天线上的电流分布，进而改变天线的输入阻抗、方向图特性和天线的效率，以此来提高天线的带宽。
                          
                         信标天线辐射集中在狭窄的与地面垂直的圆锥范围内，即要求具有最大辐射方向垂直向下的心脏形方向图。因此，本信标天线的设计采用一种非对称的振子天线，将其臂弯成直角，即构成了倒F形天线，从而使信标天线得到了具有垂直向下的心脏形方向图，其心脏形方向图的构成主要由非对称振子天线上电流分布所产生的场强的幅值和相位的不同来实现的。
                          
       

               

       

                图1  信标天线示意图

                          
                        3  HFSS的天线建模

                         结合上面的原理分析，设计一个工作频率为75MHZ的信标天线，采用HFSS仿真软件进行参数化建模，馈线的特性阻抗为50Ω，采用集总馈电。对信标天线进行HFSS软件建模，其中X轴负方向为飞机航向、Y轴为飞机高度方向、Z轴为翼展方向，模型图如图2所示。HFSS软件是基于有限元法对研究对象进行网格剖分，为了减少网格剖分的数目，其手动剖分网格模型如下图3所示。
                          
                         加载电容在图3标志区域上画出一个矩形片，放大后如图4所示。通过在边界条件Lumped RLC Boundary中设置电容值，对可变电容器进行参数化设置；同理，对电感加载进行参数化设置。然后，设置激励和求解方式，设置辐射边界时要求空气盒子尺寸合适。一般要求其边界到实际几何模型任何部分的距离大于四分之一波长，边界并非越大越好，边界太大会显著影响计算时间和精度。
                          
       

               

       

                图2  天线HFSS模型

       

                 

       

               

       

                图3  天线HFSS模型网格剖分

       

               

       

                图4  电容加载位置

                 
                        4  仿真结果分析

                        4.1  驻波比

                         仿真中心频率设置为75MHZ，通过对可变电容C3、电感L、C点距底板的长度L1的值在74.7MHZ~75.3MZH进行优化，取C3 = 8.5 pF，L = 0.18μH，对L1从29mm~32mm进行优化，得到其电压驻波比（VSWR）如下图5所示。由图5可知，当L1取29mm时，其回波损耗远大于-10db，没有实际工程意义。当L1从30mm~32mm优化时，随着L1的增加，其中心频率逐渐接近75MHZ，但驻波比变大了。
                          
                         通过在74.8MHZ~75.2MHZ频率范围内，继续调节、优化可变电容C3来减少频偏，但同时要保证不使驻波比增大。为此，取L1 = 30.5mm，L = 0.18μH，C3从8.2 pF~8.6 pF进行优化，其优化后的电压驻波比（VSWR）如下图6所示。
                          
       

               

       

                图5  VSWR与频率关系曲线

       

               

       

                图6  VSWR与频率关系曲线

                          
                         由图6可知，优化可变电容C3值时，在中心频率75MHZ上下产生了不同程度的频移。当取C3 = 8.374 pF时，在频率74.991MHZ处，驻波比为1.60。在74.9MHZ~75.1MHZ频率范围内，通过优化电感L值，来达到减少驻波比的目的，由前面的优化确定了L1=30.5mm，C3 = 8.374pF，对L从0.175μH~0.185μH进行优化，得到其优化后的电压驻波比（VSWR）如下图7所示。
                          
       

               

       

                图7  VSWR与频率关系曲线

                          
                         由前面的仿真优化，最终确定了当L1=30.5mm，C3 = 8.374pF，L = 0.1845μH时，仿真后的电压驻波比（VSWR）如下图8所示，得到在中心频率75MHz处驻波比为1.55，其阻抗带宽（回波损耗小于10dB）为100KHZ，满足频偏±15kHz的要求，满足了工程设计要求。
                          
       

               

       

                图8  VSWR与频率关系曲线

                 
                        4.2  天线表面电流分布

                         天线表面的电流分布的HFSS仿真结果如下图9所示，从中可以看出电流矢量方向随相位的变化而变化，在0°相位和90°相位时，天线横臂端处形成最大的辐射面电流，即有最大的远场辐射方向，在180°相位时，辐射电流最小。
                          
       

               

       

                (a) 0°相位                   (b) 90°相位   

       

               

       

                (c) 180°相位

       

                图9  天线表面的电流分布

                          
                        4.3  远场辐射方向图

                         在HFSS中，设置仿真频率74.9MHZ~75.1MHZ，对信标天线进行仿真，得到其三维远场方向图如下图10所示。二维H、E面方向图如下图11、12所示从仿真结果上可以看到，H面方向图的最大辐射面在当Phi= -90°时，即天线的最大辐射方向沿Y轴负方向垂直向下，其方向图为心脏形；E面方向图为水平全向，软件仿真的增益 -1.5dB，达到了我们对设计天线的要求。
                          
       

               

       

                图10   三维辐射方向图

       

               

       

                图11  H面方向图

       

               

       

                图12  E面方向图

                          
                        5  结论

                         本文设计、仿真了一种机载信标接收机天线，基于对机载天线的空间布局和对飞机的整体气动性考虑，从天线加载的角度来减小天线的体积，通过利用集总元件来缩小天线的尺寸。经过对天线参数的仿真和优化，得到了满意的电性能参数，从而验证了信标天线设计理论的正确性和HFSS软件准确、可靠的仿真性能，本设计方案具有一定的可行性。