基于HFSS的线阵综合分析
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摘要:
常规的阵列天线方向图综合是基于阵因子分析法,且不考虑单元之间电磁耦合的一种快速分析手段。本次推文则简单阐述一个基于HFSS的线阵综合实例。
按单元间距进行等间隔布阵,激励端口名从左到右依次为1, 2, 3, ... ,10。
此时,在天线工作的中心频率附近,其端口反射系数与最邻近端口的隔离度均表现良好。
HFSS中的阵列天线求解分析,可以通过Master-Slave构造的周期边界结构方法进行快速分析,然后利用有限大阵列的FA-DDM(Domain Decomposition Method),即域分解法,进行整阵仿真。不过本次仿真分析仅计算十单元线阵,因此直接采用全阵+空气盒子辐射边界条件求解。
由于边缘效应和单元耦合的影响,对于实际的有限大阵列,其每个单元单独激励的方向图函数是有一定差异的。因此,实际的阵列方向图综合,需要利用AEP(active element pattern)方法。该方法先仿真计算各单元单独激励(即,其他单元接匹配负载,不激励)的单元方向图;然后利用叠加原理将所有单元的单元方向图进行叠加,得到阵列的总辐射场。
利用hfssapi提取出各单元的单元方向图数据,在matlab中可以很方便的综合出任意幅相激励的远场方向图。虽然也可以像第二节所述,通过EditSource计算阵列方向图特性。但是调用hfss进行计算肯定是没有matlab的矩阵运算快。
下面详细推导下rE和Gain之间的关系:
在HFSS中,rE是远区的电场强度与距离r的乘积值,由于任一方向上的电场强度表达式与距离r成反比,其乘积为一常数,因此rE是可以反映方向特性的。 增益Gain的定义可以表示为, 其中Pr是馈入功率。得出的增益是一个量纲为1的量。从公式可以看出,这里Gain其实就是HFSS中的RealizedGain 对于阵列天线而言,我们可以通过editsource修改各单元激励的功率值。当各端口功率值等比例放大时,rE会增加,但是由于最后增益的表达式里会除去一个辐射功率值,因此Gain会保持不变。 如下所示,对于10单元线阵进行全阵激励(各单元均1W激励,相差为0°)的情况,理论计算的增益G=43.67,与HFSS计算值一致。
GainTotal\GainPhi\GainTheta
SystemGainTotal\SystemGainPhi\SystemGainTheta
rETotal\Ephi\rETheta
DirTotal\Dirphi\DirTheta
RealizedGainTotal\RealizedGainPhi\RealizedGainTheta
END
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