微带阵列天线分析与仿真开题报告

阵列天线技术是通过控制多个辐射单元的信号幅值与相位，使得天线辐射场的能量可以集中在某一个方向，增强天线辐射的方向性。早期的阵列天线技术在第一次世界大战期间就已经使用，目前可以看到许多二战期间的雷达系统使用了阵列天线。这些早期的相控天线中的相位调整使用了电机械装置实现，可以不必移动天线而实现辐射方向的灵活改变，波束调控使得可以更加容易的跟踪目标，甚至可以跟踪多个目标。在1950年代机械移相器被电子移相器所取代，这进一步改进了阵列天线的开关与调控速度，使得其更为灵活。在1960年代，数字开关移相器的出现使得可以更为灵活的利用计算机调控天线辐射波束。在1980年代出现了有源相控阵技术，每个辐射单元有自己的发射电路，这样简化了馈电网络的设计。

微带天线是一种具有体积小、重量轻、剖面低、易于载体共形、易于与微波集成电路一起集成等诸多优点的天线形式，目前已在无线通信、遥感、雷达等诸多领域得到了广泛应用。同时研究也发现由于微带天线其自身结构特点，存在一些缺点，例如频带窄、增益低、方向性差等。通常将若干单个微带天线单元按照一定规律排列起来组成微带阵列天线，来增强天线的方向性，提高天线的增益。在阵列天线分析中，引入了阵因子的概念以描述辐射单元之间的位置关系对于辐射特性的影响；阵列天线的辐射模式中有可能会出现栅瓣，阵列天线各个单元之间存在互耦合，这些都是在阵列天线讨论和分析中需要考虑的因素。

在学习天线的相关理论基础上，仿真分析一个工作14均匀直线微带阵列天线。根据相关理论计算、优化、确定单个阵元的相关参数设计出单个阵元，然后再选取合适的馈电网络将单个阵元组成天线阵，最后分别对单个阵元和整个天线阵用HFSS进行仿真，运行得出结果，通过对比两者结果和性能参数，分析两者的性能差异，其次对于微带阵列天线进行仿真分析，熟悉微带阵列天线特性与仿真流程，进一步学习阵列天线的分析理论，通过搭建阵列天线模型进行仿真，分析其反射系数特性与远区场辐射特性等。最后结合理论分析阵列单元间距与辐射特性的关系，天线单元之间的互耦合等特性。

HFSS – High FrequencyStructure Simulator,Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,目前已被ANSYS公司收购;是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算：① 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；② 端口特征阻抗和传输常数；③ S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；④ 结构的本征模或谐振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。

HFSS是当今天线设计最流行的设计软件，本论文的主题是微带阵列天线分析与仿真，因此用HFSS软件进行仿真，HFSS可为天线及其系统设计提供全面的仿真功能，精确仿真计算天线的各种性能，包括二维、三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S参数等。通过参数的计算，在仿真软件中进行实验的仿真，通过软件得到仿真的数据结果，从而验证实验的成功与否。

本次毕业设计在学习微带天线和天线阵的原理和基本理论的基础上，利用Ansoft 公司的高频电磁场仿真软件HFSS，分析仿真4元均匀直线微带阵列，优化和调整了相关参数，然后分别对单个阵元和天线阵进行仿真，对仿真结果进行分析，对比两者在相关参数的差异。工作结果对于进一步的器件设计与工程应用具有参考价值。