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HFSS快速仿真设计大型微带阵列天线

微波雷达系统设计有时要求雷达天线具有窄波束和高增益特性，因此需要采用包含上百个阵元的微带阵列天线实现。电磁全波仿真软件所需计算机资源随求解天线电尺寸的增加而迅速增加，单次全波仿真时间也会大幅增加，最终将会减缓产品的开发进度。基于ROGERS公司的高频板材RO4350B设计了一个320阵元的微带串馈阵列天线，本文将介绍开发这款天线时应用到的快速设计方法。

微带阵列天线的设计关键是馈电网络，馈入各个阵元的功率需要满足特定的加权分布，从而使E面和H面方向图满足副瓣抑制比指标。馈电网络可以采用路仿真和场仿真两种方法。场仿真基于电磁全波计算，仿真速度慢且占用资源大。使用HFSS仿真一个16阵元的微带串馈阵列天线，剖分网格总数为23万，而RO4350B介质基板上的网格数达到12万，占比超过50%。路仿真基于等效电路参数计算，仿真速度快且占用资源极少。但是在24GHz频段，馈电网络上不连续结构引入的分布参数效果将十分显著，这使得路仿真的精度要比场仿真差很多。

如果结合使用路仿真和场仿真两种方法，则可以在保证设计精度的同时大幅减少开发时间。下面以18×2馈电网络为例进行说明。假设已完成18×1的H面网络设计，下一步目标是准备增加一级E面网络并完成18×2馈电网络设计。

第一步：在HFSS中建立已完成的H面子阵模型，仿真完并导入到Designer；在Designer里定义Rogers RO4350B介质基片的相关参数，根据微带线的理论计算值建立E面馈电网络，连接H面子阵形成图1所示的18×2馈电网络；设定输入端口S参数以及各输出端口功分比的优化指标，仿真完成时间在1分钟以内。

图1：18×2馈电网络模型（E面馈电网络使用路仿真）

第二步：根据第一步的仿真结果在HFSS中建立图2所示的E面馈电网络，仿真完成；导入到Designer中替代图1模型中E面馈电网络，形成图3所示的完整模型；设定输入端口S参数以及各输出端口功分比的优化指标并仿真完成；同时获得E面馈电网络各变换段结构参数变化时S参数和各输出端口功分比的变化趋势。这个仿真过程完成时间在20分钟以内。

 图2：E面馈电网络仿真模型

图3：18×2馈电网络模型（E面馈电网络使用电磁仿真）

第三步，根据第二步的仿真结果在HFSS中建立18×2馈电网络的完整模型，进行全波仿真，并根据第二步得到的变化趋势优化S参数和输出端口的功分比。这个仿真过程完成时间根据机器配置各有不同，但仿真调试次数相对于直接设计的方法会大幅减少。

图4：18×2馈电网络的全波模型

快速设计方法的总体原则是利用场仿真软件对子网络进行精确全波仿真，然后在路仿真软件中把各个子网络级联起来形成完整网络，通过路仿真结果总结参数变化趋势，最后在场仿真软件对完整网络进行全波仿真，并利用路仿真结果指导参数调整。一般通过几次全波仿真就能得到最终的优化结果。值得注意的是，路仿真可以避免场仿真的盲目调试并加速设计，但并不能替代场仿真。