平面透镜天线设计(含HFSS模型和自动建模程序)

简介平面透镜天线是一种将传统曲面透镜“压扁”的平板天线。它利用平面结构上无数个微小的单元模拟透镜对电磁波的相位调整功能。其核心任务是将馈源发出的球面波在校正后变成定向辐射的平面波从而实现高增益。平面透镜天线设计的核心是利用平面结构来模拟传统曲面透镜的相位补偿功能。这通常意味着要在薄片结构上实现从馈源发出的球面波到平面波的相位变换。设计流程指标与馈源选择根据需求明确中心频率、带宽、增益决定口径尺寸、波束指向等参数。馈源通常选择标准增益喇叭其辐射方向图近似为cos ⁡ q ( θ ) \cos^q(\theta)cosq(θ)需精确建模作为相位补偿的依据。单元设计与相位仿真这是设计的核心基础。单元需满足在目标频带内传输系数∣ S 21 ∣ ≥ − 1 dB |S_{21}| \ge -1\text{dB}∣S21​∣≥−1dB且平坦相位覆盖范围≥ 360 ∘ \ge 360^\circ≥360∘并建立相位-结构尺寸的对应曲线。典型单元结构有接收-发射式上下两层贴片通过金属化过孔连接用移相线控制相位。多层频率选择表面级联多个容性/感性表面调整层间距和尺寸。介质嵌入式在单元中嵌入变容二极管适用于可重构设计。单谐振单元通常覆盖不到360°必须采用多谐振结构。阵面计算与布阵这是理论关键。目标是让馈源发出的球面波经过阵面不同位置i ii后所有射线在出射口面的相位齐平。核心公式为路径补偿法单元i ii所需提供的补偿相位ϕ i \phi_iϕi​为ϕ i k 0 ⋅ d i Δ ϕ 0 \phi_i k_0 \cdot d_i \Delta\phi_0ϕi​k0​⋅di​Δϕ0​其中k 0 2 π λ 0 k_0 \frac{2\pi}{\lambda_0}k0​λ0​2π​是自由空间波数d i d_idi​是馈源相位中心到第i ii个单元的距离。Δ ϕ 0 \Delta\phi_0Δϕ0​是一个常数参考相位目的是将所需相位值搬移到单元可实现的360°范围内。对于定向波束所有单元的ϕ i \phi_iϕi​补偿后使口径面等相位。对于波束扫描需在ϕ i \phi_iϕi​上叠加一个线性相位梯度。全波仿真与优化在HFSS、CST中建立周期边界模型仿真单元再将相位赋予每个单元进行小规模阵列仿真以验证方向图。由于单元间互耦和边缘效应通常需要1-2轮迭代优化。注意事项焦径比透射阵设计中F/D 是核心权衡参数。F/D 大照射均匀、效率高但剖面高F/D 小结构紧凑但边缘照射电平低、口径效率下降。通常选 0.7-1.0。损耗来源主要包括单元传输损耗欧姆损耗、溢出损耗馈源能量未全部截获和相位量化损耗连续相位被离散化。性能评估设计完成后需评估口径效率、旁瓣电平、交叉极化鉴别度等指标。设计实例单元设计透镜单元参考“Wideband_Transmitarray_With_Reduced_Profile”一文的经典移相单元如下所示移相曲线仿真对关键参数W 1 W_1W1​进行参数扫描获得参数相位曲线如下所示馈源设计采用波导口作为透镜天线的馈源模型和方向图如下所示阵面设计和仿真阵面距离馈源的高度为30mm通过设置不同相位的阵元让馈源发出的球面波经过阵面后的相位齐平。法相波束阵面设置如下所示仿真得到的方向图如下所示扫描波束阵面设置如下所示仿真得到的方向图如下所示扭转波束阵面设置如下所示仿真得到的方向图如下所示建模程序基本使用说明首先对需要建模的单一模型进行建模单一模型是指的和控制相位相关的单一模型比如长方体、圆柱体、长方形这些比如上面的设计示例就是一个正方形。其他部分都是同一的结构用阵列复制的办法就能建模。1.新建相位控制变量首先新建一个变量该变量是单一模型的控制变量控制透镜相位的变量比如设计示例的正方形的边长新建变量W 1 W_1W1​2.录制单一模型建模脚本然后准备录制一个建模脚本就是单一模型的建模脚本保存为python脚本。然后进行建模示例是对正方形进行建模3.更改脚本的set.txt的参数然后根据要求更改set.txt参数运行hfss_lens_exe程序就会自动生成一个example脚本再使用HFSS的运行脚本功能HFSS就会自动建模了。4.注意事项如果HFSS脚本运行时出现下面的错误是变量名重复使用了因为不同规模的透镜不同相位分辨率的透镜的建模变量可能不一样需要把design的变量全部清除或者新建一个空白design用于运行建模脚本。如果HFSS脚本运行时出现下面的错误是缺少变量h1需要先建立一个变量h1这种情况是用在圆柱体建模这种h1是统一变量r1是相位控制变量r1是通过脚本控制的h1可以人为控制。所以比较好的办法是将录制脚本的design进行复制然后重命名用于新的透镜阵列建模。这样就保留了统一变量参数又通过脚本对相位控制变量进行更改。进阶使用可以进行对圆柱进行阵列脚本建模组成平面龙勃透镜对于有多个需要变化的单元需要建两个脚本在两个design里面运行脚本进行建模然后复制合并到一起如下所示除了对模型的长宽高进行相位扫描也可以对模型的旋转角度进行相位扫描如下所示资源HFSS透镜天线的模型和建模程序的资源链接如下链接: https://download.csdn.net/download/qq_23176133/93218190