e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAE

一种基于AFSS结构的方向图可重构的微带天线设计

2023/6/9    来源:Altair    作者:眭韵  杨晨晨      
关键字:微带天线  FEKO  
本文为设计可重构天线提供新思路,同时也显示出FEKO软件在仿真天线、周期性结构以及网格数较多的有限大FSS方面具备的优势。
1 概述

       频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是一种周期表面,由完全相同的单元沿一维或二维方向周期排列而成无限大阵列,如图1所示。FSS作为一种空间滤波器,其研究早在20世纪60年代中期就已开始,其有广泛运用,如应用于实现混合隐身雷达罩、电磁吸波材料、电磁兼容、卡塞洛伦系统副反射面、极化器等[1]。

       根据Munk分类,FSS单元类型可以划分为4组:1.中心连接型;2.环形单元;3.实心单元或各种形状的板式单元;4.组合单元[2]。常规的FSS发展多年,存在一旦加工制作出来则性能固定无法改变的限制,因此有源频率选择表面(Active Frequency Selective Surface,AFSS)近年来得到了很大发展。AFSS通过加载PIN管、变容二极管等有源器件实现对电磁波主动可调的特性,在制造智能隐身雷达罩、新型可重构天线等方面具有潜在运用。

       本文基于Altair FEKO14.0平台,对加载AFSS的微带天线进行设计、仿真和分析。通过微带天线和AFSS的单独仿真以及联合仿真分析,可以获得一款方向图可重构的微带天线设计,根据AFSS上的两层PIN管状态,微带天线的方向图具有不同特性。本文提供的想法可以为可重构天线设计提供新思路。

三种常用的FSS

图1 三种常用的FSS.(a)(b):圆环贴片和隙缝FSS;(c)(d):方环贴片和隙缝FSS;(e)(f):耶路撒冷贴片和隙缝FSS

2 微带天线和AFSS仿真

       2.1 微带天线仿真

       FEKO提供对微带天线的快速建模与仿真方法,基于合理的网格剖分技术和默认的矩量法(MoM)能够求解精确的天线性能指标。图2为微波天线模型,采用矩形金属贴片作为辐射源,并采取背面馈电方式。通过图3结果可以看出,该天线具有良好的辐射性能,在3GHz最大增益达到8.16dBi。

普通微带天线模型

图2 普通微带天线模型

普通微带天线的方向图

图3 普通微带天线的方向图

       2.2 AFSS仿真

       使用FEKO仿真FSS这类周期性结构问题,只需对其中一个结构进行建模,加上合适的周期边界条件即可。FEKO仿真AFSS主要步骤如下:首先对单元进行建模,这里对双层矩形曲折线单元进行建模和仿真,并分别在上层和下层加载集总电阻元件用来模拟实际的PIN管;其次,加入周期性边界条件,这个在FEKO主菜单栏中可以找到;然后定义激励源,这里选择平面波入射;最后设置求解,即S参数求解。图4为在FEKO中建立的AFSS单元模型,图5给出其四种传输特性,分别为:①对于TE和TM波带通;②对于TE波带通,对于TM波屏蔽;③对于TE波屏蔽,对于TM波带通;④对于TE和TM波屏蔽。

AFSS模型

图4 AFSS模型

AFSS的四种传输特性

图5 AFSS的四种传输特性。(a)上层和下层PIN管关闭;(b)上层PIN关闭,下层PIN管打开;(c)上层PIN管打开,下层PIN管关闭;(d)上层和下层PIN管打开


3 方向图可重构的微带天线设计

       图6是方向图可重构的微带天线设计模型,该模型基于微带天线结构,在距离天线贴片上面30mm处加载有限大的7×7的AFSS结构。当AFSS的两层PIN管都关闭时,AFSS在3GHz附近对于TE极化和TM极化都表现为带通性能,因此微带天线可以正常辐射电磁波,AFSS相当于一层“透明”的结构。当AFSS的上层PIN管关闭,下层PIN管打开时,AFSS在3GHz附近对于TE极化是透明而对于TM极化是屏蔽,因此微带天线的线性化辐射波被反射回去,AFSS相当于一层“金属屏蔽”的结构。同理,当AFSS的上层PIN管打开,下层PIN管关闭,微带天线可以辐射,而当AFSS的上层和下层PIN管都打开时,微带天线不能辐射。

AFSS加载于微带天线上层,通过控制PIN管工作状态,实现天线方向图可重构

图6 AFSS加载于微带天线上层,通过控制PIN管工作状态,实现天线方向图可重构

 

可重构微带天线的方向图

可重构微带天线的方向图

图7 可重构微带天线的方向图。(a)对应上下层PIN管都关闭;(b)对应上层PIN管关闭,下层PIN管打开;(c)对应上层PIN管打开,下层PIN管关闭;(d)对应上下层PIN管都打开;(e)极坐标下的方向图


4 总结

       本文基于FEKO软件平台,分别仿真设计了矩阵微带天线和有源频率选择表面,将AFSS可重构的功能引入到微带天线中,通过在天线上层加载AFSS并控制PIN管的工作状态实现微带天线方向图的可重构。本文为设计可重构天线提供新思路,同时也显示出FEKO软件在仿真天线、周期单元以及网格数较多的有限大FSS方面具备的优势。

责任编辑:程玥
本文为授权转载文章,任何人未经原授权方同意,不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用,e-works不承担由此而产生的任何法律责任! 如有异议请及时告之,以便进行及时处理。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐