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内容安排:

第五节:MATLAB—CST联合仿真之共形天线建模与端口设置

第六节:MATLAB—CST联合仿真之有奖自测

(加群请备注:MATLAB-CST)

正文 第五节

在一些高速运动的载体,如高速交通工具、飞行器和导弹上集成天线时,需要考虑其空气动力学、流体力学或电磁隐身等特性,以减小阻力、节省空间、增大视场范围、提高集成度和减小雷达发射截面积。

考虑到这些应用场景对天线提出的要求,我们常常需要将天线的辐射单元共形在圆柱面、球面、圆锥面或其他复杂曲面。直接将一个柔性天线弯曲到曲面上进行共形是一种常见的共形天线安装方式,采用PCB工艺加工的低剖面天线,如微带阵列天线、基片集成波导缝隙阵列天线就可以用这种方式进行共形,如图1所示[1]。

本节就以柱面共形波导缝隙阵列天线为例,介绍利用MATLAB控制CST将平面阵列天线共形到柱面并设置共形波导口馈电端口的方法。

图1  平面阵列天线的柱面共形[1]

图2  柱面共形波导缝隙阵列天线建模与端口设置演示(gif)

在第二节的内容中,我们学习了平面波导缝隙阵列的建模,并将其模型导出为“PlanarArray.sat”文件,这一节我们就利用这个平面阵列天线的模型文件,来演示柱面共形天线的建模方法和端口设置,共形的时候用到了“Bend Layer Stackup”这个命令,应该是CST2016以后版本才有(没有记错的话),这个命令的好处就是可以将多个层叠的平面在考虑拉伸形变的情况下向共形面贴合,没太理解意思的可以自行help查看。

在建模过程中需要注意一个问题,“Bend Layer Stackup”命令一般只能对简单的模型共形,当需要共形的是一个复杂模型时,例如本程序中的平面波导缝隙阵金属体,上面有100个缝隙,中间还有镂空的波导腔体,这就属于复杂模型了,所以在使用“Bend Layer Stackup”命令共形之后,平面波导缝隙阵金属体就变成了一个柱面弯曲的全金属体,上面的缝隙和中间的腔体都消失了,因此,我们还需要进行布尔操作,将这个完整的弯曲金属体减去共形后的缝隙和介质块,最后才得到一个柱面共形的波导缝隙天线,当然此时需要保留介质块用于填充。

模型建立好之后,就需要设置端口对波导进行馈电,在CST中如利用时域仿真求解器,那么要求端口必须与笛卡尔坐标系(直角坐标系)对齐,在本示例模型中,由于共形导致各波导口已经发生了偏转,此种情况下添加端口无法满足与笛卡尔坐标系对齐的条件。但要是在HFSS中仿真此模型,简单的选中波导口的面设置馈电端口即可,完全不用考虑端口与坐标轴对齐的问题。基于此思路,我们利用CST的频域仿真求解器来进行计算,且波导口也是通过选中一个波导内介质块的面(此介质块关于xoz面对称)来设置,然后根据几何关系旋转并复制端口来生成10个馈电端口。此方法很简单,但是没有共形天线仿真经验的人可能不太容易想到,因此本节专门给出了此示例。

建立好模型并设置好端口后,就可以进行仿真了,为了能够尽快完成仿真,建议大家把如图3所示中的两个叉都点掉(仿真频点会减少),仿真结束之后可以看一下各端口处的场分布,应该和你想象中的一样,这里就不贴图了,大家亲自试一下。

3  仿真设置

参考文献:

[1] Liu Y, YangH, Jin Z, et al. A Multibeam Cylindrically Conformal Slot Array Antenna Basedon a Modified Rotman Lens[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2018, 66(7):3441-3452.

很多文献都说柱面共形可以带来更宽的扫描角度,那到底弯曲到什么样的程度(相对阵列大小而言)时,相对平面阵列,既可以保持较高的增益,又能展宽扫描角度呢?能展宽多少呢?假设阵列所有单元都必须同时等幅馈电的。

本节校对与代码测试人员:

孙光,成都电子科技大学本科,国防科技大学电子科学学院硕士研究生在读。

作者简介

作者:刘燚,国防科技大学电子科学学院电子科学系电磁调控技术教研室讲师,主要从事微波毫米波技术、天线理论与设计等方向的教学和科研。

作者注:"欢迎同学们来信讨论相关问题,也欢迎来我室学习深造。"

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