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

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，振子的全長應(yīng)小于四分之一波長。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，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。