阵列天线设计与仿真

《移动通信多频阵列天线设计与阵列优化》篇一一、引言随着移动通信技术的快速发展，用户对无线通信系统的性能和可靠性提出了更高的要求。

移动通信多频阵列天线是无线通信系统中至关重要的部分，它对系统性能和用户体验产生深远的影响。

因此，本论文旨在研究移动通信多频阵列天线的优化设计，以提高其性能和可靠性。

二、多频阵列天线设计1. 需求分析在设计多频阵列天线时，首先需要明确其应用场景和需求。

这些需求包括工作频率、增益、极化方式、波束宽度等。

针对不同的需求，设计出不同的阵列结构和天线单元。

2. 阵列结构选择多频阵列天线的阵列结构是影响其性能的关键因素。

常见的阵列结构包括线阵、面阵等。

选择适当的阵列结构，可以有效地提高天线的增益和波束指向性。

3. 天线单元设计天线单元是多频阵列天线的基本组成部分。

根据应用需求和阵列结构，设计出不同形状和尺寸的天线单元。

同时，要保证天线单元在多个频率上具有良好的性能。

三、阵列优化方法1. 遗传算法遗传算法是一种优化算法，通过模拟自然进化过程，对多频阵列天线的阵元位置、相位差等参数进行优化。

这种方法可以有效地提高天线的性能和可靠性。

2. 神经网络算法神经网络算法是一种机器学习方法，可以用于预测和优化多频阵列天线的性能。

通过训练神经网络模型，可以找到最优的阵列结构和参数组合，从而提高天线的性能。

四、实验与结果分析为了验证所设计的多频阵列天线的性能和优化效果，我们进行了实验测试和分析。

首先，我们设计了不同结构的天线单元和阵列结构，然后通过仿真和实测的方式对天线的性能进行了评估。

实验结果表明，经过优化的多频阵列天线在多个频率上具有较高的增益和良好的波束指向性。

同时，我们还对遗传算法和神经网络算法的优化效果进行了比较，发现这两种方法都可以有效地提高天线的性能和可靠性。

五、结论与展望本论文研究了移动通信多频阵列天线的优化设计，通过选择适当的阵列结构和天线单元，以及采用遗传算法和神经网络算法等优化方法，提高了天线的性能和可靠性。

S波段圆柱波导缝隙阵列天线设计摘要：本文介绍了S波段圆柱波导缝隙阵组成的圆形阵列天线设计,通过底部馈源的馈电，经圆柱波导壁隙缝阵辐射，实现水平极化和全向特性。

利用Ansoft HFSS仿真设计并加工试验，实测结果与仿真结果吻合较好。

对于实际生产中性能超差的阵列天线采用加载阻抗匹配环的方法进行性能优化，使该阵列天线性能达到最优。

测试表明，该阵列天线的驻波≤2.5，相对带宽10%，Ｈ面全向最大增益为5.0dBi，垂直面波束宽度≥40。

关键词：缝隙；极化；全向；阵列0引言全向天线广泛应用于的军事、通信、广播等领域。

全向天线的极化形式有水平极化、垂直极化和圆极化，垂直极化近似电偶极子的辐射，水平极化近似磁偶极子的辐射。

本文介绍的水平极化全向天线是一种圆柱波导缝隙天线组成圆形阵列，该阵列天线结构简单，易于加工，可应用于S频段通信系统。

1 圆形阵列天线原理均匀圆形阵列（UCA）的辐射单元是等间距均匀分布于圆的外围且等幅同相激励，远场坐标用（）表示，如图1所示，圆形阵列辐射函数是在单元因子与阵列因子的共同作用下产生，见图2，其相应的方位面内远场表达式（1）为：本文介绍的是S波段波导缝隙天线共形阵，极化方式为水平极化。

圆柱波导上的缝隙阵结构如图4所示，其中r为圆柱形空腔内半径，d0为双层铅锤缝隙的间距，d1为第一层缝隙中心与地板的间距。

本阵列天线使用二级过渡匹配柱作为馈源对缝隙阵列馈电，由单元缝隙组成的圆形阵列天线在阵中均匀分布7个缝隙，分上下两层，缝隙的纵向间距相同。

为了有效形成全向性方向图，在每个缝隙旁附加一个耦合探针，通过探针耦合能够有效产生一个水平面全向的方向图。

为了提高天线的不圆度，探针位置在纵向上交错分布，即第一行探针在缝隙的左边，第二行在缝隙的右边，且耦合探针位于缝隙中心处[3]。

3 仿真结果及分析利用高频仿真软件HFSS建立仿真结构图（见图5），并进行仿真计算，天线的各项参数设置为：圆柱形空腔的内径2a=1.1λ0，单元缝纵向间距d0为0.7λ0，横向缝隙在圆周上数量s为7，销钉直径为0.02λ0，销钉长度为λ0/4，缝隙宽度为2mm，缝隙长度为0.5λ0，缝隙中心与地板间距d1为0.75λ0。

第11期 肀螬f SM 龛找*f MVol .15N o.il2020 年 11 月Journal of CAEIT Nov . 2020doi ： 10. 3969/j . issn . 1673-5692. 2020. 11.006超宽带Vivaldi 天线单元及阵列设计史信荣、史劼2,熊洋洋\柯进、罗旭东1(1.广东省计量科学研究院广东省现代几何与力学计量技术重点实验室，广东广州51〇4〇5;2.中国工业互联网研究院，北京100110)摘要：文中设计了一种新型超宽带平衡对跖Vivaldi 天线单元和阵列。

研究分析了主要结构参数 对天线性能的影响，通过增加金属隔板、接地柱、减小天线剖面高度等方式，将天线单元的阻抗带宽由1.7个倍频程提升至5个倍频程。

该新型天线单元具有阻抗带宽较宽、结构尺寸小的特点，是一 种较为理想的超宽带阵列天线单元。

在单元优化的基础上，文中对8 x 8的超宽带天线阵列性能进 行了研究，结果表明该天线阵列具有良好的阻抗带宽和辐射性能。

关键词：超宽带；Vivaldi 天线；平衡对跖中图分类号:TN 98文献标志码：A文章编号：1673-5692(2020) 11-10654)5Design of Ultra-Wideband Wide-angle Scanning VivaldiAntenna and ArraySHI Xin-rong 1 , SHI Jie 2 , XIONG Yang -yang 1 ,KE Jin ' , LUO Xu -dong 1(1. Guangdong Institute of Metrology , Guangdong Provincial Key Laboratory of Modem Geometric and MechanicalMetrology Technology , Guangzhou 510405 ,China ；2. China Academy of Industrial Internet , Beijing 100036,China )Abstract ： A novel ultra-wideband (UWB ) balanced antipodal Vivaldi antenna element and array withwide-angle scanning is designed . The influence of the main structural parameters on the antenna perform ­ance is analyzed . The impedance bandwidth of the antenna element is improved from 1. 7 octaves to 5 oc ­taves by adding metallic partitions , metallic poles and reducing the height of the antenna . The novel an ­tenna element not only has a wide impedance bandwidth , but also a smaller structure size . The length and width of the antenna element is only half of the wavelength corresponding to the highest frequency . It is an ideal UWB wide-angle scanning array antenna element . On the basis of element optimization , the performance of 8 x 8 UWB array is studied . The results show that the aiTay has a wide impedance band ­width and good radiation performance .Key words ： ultra-wideband (UWB ) ； vivaldi antenna ； balanced antipodal〇引言阵列天线具有快速扫描、波束形状捷变、空间功 率合成的能力，广泛应用在卫星通信、遥感遥测等领域。

摘要超材料天线是近年来电磁学领域新颖的研究，以其独特的多频带、宽带、小型化、高增益特性受到了学者们的广泛关注。

透射阵列天线是一种新型的阵列天线设计，有着出色的高增益辐射性能以及设计制造的灵活性，近年来一直是专家学者们研究的重点。

本文首先从超材料天线与透射阵列天线的发展历史以及研究现状分析了这两种天线的特点与研究趋势，并研究了复合左右手传输线式超材料(Composite Right/Left Handed transmission-line,CRLH-TL)的工作频带特性以及透射阵列天线的工作与设计原理。

接着设计了四款宽带高增益天线，每一种天线都有其各自的特点。

本文主要完成以下工作：(1)设计了一款工作于5.4-8.2GHz的宽带高增益蘑菇型CRLH-TL天线。

基于CRLH-TL的多频特性以及基片集成波导(Substrate integrated waveguide,SIW)的原理，在宽带多频的蘑菇型CRLH-TL型天线基础上引入了基片集成波导腔体，扩宽了天线的阻抗带宽并提高了天线增益。

该天线实现了实测5.4-8.2GHz工作频带内最高9.5dBi的增益，其实测结果与仿真较为吻合，验证了该设计的出色性能。

(2)基于透射阵列天线工作原理，设计了一款工作于16GHz的单频透射阵列天线和工作于16GHz、27GHz的双频透射阵列天线。

两种三层纯金属透射阵单元皆具有宽频率通带、低透射损耗特性且均能在工作频段实现360度相位调控。

基于两种单元进行了透射阵列天线的设计。

双频透射阵列天线在16GHz、27GHz分别实现了27.8dBi、26.9dBi 的仿真增益，对应口径效率分别为78%、22%，具有极好的双频高增益性能；另一种单频透射阵列天线经加工测试在16GHz取得了26.9dBi增益与64%口径效率，并取得了14%的1dB增益带宽以及低于-45dB的交叉极化电平。

该设计的测试与仿真结果基本吻合，验证了该设计的可行性与出色性能。

天线布局：利用FEKO仿真的解决方案Altair/FEKOFEKO助力大量工业领域的OEM厂商及其供应商解决其在产品设计、分析和测试验证过程中遇到的EMC问题。

通过使用FEKO等仿真工具，减少了试制样品的数量和测试的次数，将传统的以测试驱动的开发流程转变为以仿真驱动设计。

FEKO在EMC/EMI领域的重要应用包括了电磁辐射、电磁抗干扰、雷电效应、高强度辐射场（HIRF）、电磁脉冲（EMP）、电磁屏蔽、电磁辐射危害以及天线耦合等。

天线布局在自由空间中进行天线仿真时，有多种技术可选。

在实际应用中，这样的天线被安装在实体结构上，严重影响天线的自由空间辐射特性。

对于安装在大型平台上的天线，测量其辐射特性非常困难，有时甚至无法测量。

因此，进行精确仿真的挑战是，天线与大型电子环境的交互。

多年来，FEKO 在天线布局方面已经赢得良好声誉，成为车辆、飞机、卫星、轮船、蜂窝基站、塔、建筑及其他地点的天线布局的标准EM 仿真工具。

MLFMM 和FEKO 中的渐进求解器（PO、RL-GO 和UTD）以及模型分解共同作用，使FEKO 成为解决大型或超大型电子平台上天线布局和共址干扰问题的理想工具。

战斗机和轮船上的天线布局（表面电流如图显示）FEKO仿真基于平台上多天线间的隔离度问题（图1）是FEKO最擅长处理的问题之一。

该飞机模型是EMC计算电磁学（CEMEMC）专题研讨会上展示的一个测试模型，属于EV55（属于HIRF-SE FP7 EU项目，EVEKTOR，spol.s r.o.和HIRF SE联盟拥有其版权）的变形版本。

用户只需要根据求解问题的类型、电尺寸大小和复杂度等来选择FEKO中的一种求解器进行计算。

FEKO中快速计算天线间互耦的一种方法是通过S参数，用户可以在不重复启动求解器的情况下通过一次计算可视化显示天线负载的变化对天线间耦合的影响，直观显示大量天线端口的耦合并绘制共址干扰矩阵来识别和分析耦合强度的等级。

手把手教你天线设计——用MATLAB仿真天线方向图吴正琳天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。

在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。

无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。

此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。

一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。

同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。

这就是天线的互易定理。

天线的基本单元就是单元天线。

1、单元天线对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。

两臂长度相等的振子叫做对称振子。

每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。

对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。

两臂长度相等的振子叫做对称振子。

每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。

1.1用MATLAB画半波振子天线方向图主要是说明一下以下几点：1、在Matlab中的极坐标画图的方法：polar(theta,rho,LineSpec)；theta：极坐标坐标系0-2*pirho：满足极坐标的方程LineSpec：画出线的颜色2、在方向图的过程中如果rho不用abs(f)，在polar中只能画出正值。

也就是说这时的方向图只剩下一半。

3、半波振子天线方向图归一化方程：Matlab程序：clear alllam=1000;%波长k=2*pi./lam;L=lam/4;%天线臂长theta=0:pi/100:2*pi;f1=1./(1-cos(k*L));f2=(cos(k*L*cos(theta))-cos(k*L))./sin(theta);rho=f1*f2;polar(theta,abs(rho),'b');%极坐标系画图2、线性阵列天线2.1方向图乘积定理阵中第i 个天线单元在远区产生的电场强度为：2(,)ij i i i i ie E K If r πλθϕ-=式中，i K 为第i 个天线单元辐射场强的比例常数，i r 为第i 个天线单元至观察点的距离，(,)i f θϕ为第i 个天线单元的方向图函数，i I 为第i 个天线单元的激励电流，可以表示成为：Bji i i I a e φ-∆=式中，i a 为幅度加权系数，B φ∆为等间距线阵中，相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值。

波导缝隙天线的设计仿真方案详细教程1. 引言波导缝隙阵列天线口径幅度易于控制，具有辐射效率高，方向性强，结构紧凑等特点，而且容易实现低副瓣乃至极低副瓣，因此在雷达和通信领域有着广泛的应用。

高频仿真软件HFSS在电磁仿真领域有着广泛的应用，有着高仿真精度、高稳定性的特点。

使用HFSS 的3D建模功能，可以很容易解决简单的模型创建问题，但是对于复杂天线结构模型的建立，没有特别有效的方法，使得建模过程十分繁琐耗时，而且容易出错。

利用HFSS 提供的VBScript脚本功能，可以对软件进行二次开发，以VBScript作为接口，利用Matlab调用HFSS协同建模仿真，可以简化模型建立的操作，节约设计时间。

本文提出了一套波导缝隙天线的快速建模方法，设计了一个波导宽边裂缝阵列天线。

并以此波导缝隙天线为例，应用Matlab协同HFSS建立模型仿真，对仿真结果进行了分析。

2.基本理论波导缝隙天线是在波导宽壁或窄壁上开缝的天线，波导中传输的电磁波可以通过缝隙向外界进行辐射。

通常有宽边偏置缝、宽边倾斜缝、窄边倾斜缝隙这几种开缝形式。

根据波导终端的形式不同，波导缝隙阵天线可以分为行波阵和驻波阵。

行波阵的波导终端接吸收负载，单元间距稍大或稍小于g /2 ，驻波阵在距离终端g /4 处接短路滑块，单元间距均为g /2 ，本文设计的就是一个波导驻波阵天线。

2.1 波导缝隙天线理论分析波导上的辐射缝隙向外界辐射能量，引起波导负载的变化，应用传输线理论分析波导的工作状态比较方便，将相应的缝隙等效成与传输线串联的阻抗或并联的导纳，再建立对应的等效电路模型，进而可以求出各个缝隙的等效阻抗或导纳。

Stevenson 等效电路法，就是根据传输线理论和波导模的格林函数导出矩形波导缝隙的计算公式。

图1所示为波导宽边纵向偏置缝隙及其等效电路。

归一化等效谐振电导为：。

大型阵列天线的等效仿真计算Equivalent Source Simulation Method ForLarge-scale Antenna Array于嘉嵬周成哲(成都中电锦江、成都、610051)摘要: 阵列天线的仿真是典型的电大尺寸问题。

由于规模大，如果采用全波方法计算时间长，需要大量的计算资源。

Altair公司的FEKO软件的等效源技术可快速、精确计算阵列天线。

本文介绍了此方法在一大型阵列天线仿真中的应用。

关键词:阵列天线FEKO等效源技术Abstract:The simulation of antenna array is electrically large problem typically. Due to the large number of element, the simulation of antenna array usually requires large computational resources. FEKO from Altair provides equivalent source technology which can be used to simulate antenna array fast and accurately. In this paper, one large-scale antenna array is simulated by this method.Key words: Antenna array, FEKO, Equivalent source1 概述阵列天线是由不少于2个天线单元规则或随机排列,并通过适当激励获得预定辐射特性的1类特殊天线.阵列可由各种类型的天线组成,数目可以是2个甚至几十万个.通过选择和优化阵单元的结构形态、排列方式和馈电幅相特性,阵列天线能够实现单个天线难以提供的优异特性,如更高的增益、方位分辨率、系统信噪比等指标,因此在雷达和通信等领域被广泛地应用。

天线仿真软件介绍天线与微波仿真软件介绍一、 Mmanagal天线分析系统mmana-gal具有以下功能：1.用于线路设计和设置的表格编辑器2.图形天线查看器3.水平和垂直波形查看器4.三维波形显示5.两种或两种以上计算结果的比较6.天线单元编辑器7.天线导线编辑器8.不同直径管道的安装工具9.以电抗,驻波比,增益,前后比,仰角,电流为参数的自动优化处理10.表单化手工调整的优化结果11.频率特性图表生成12.数据库文件生成器13.用户语言设定二、 Zelandie3d主要功能天线分析与设计阵列天线分析与微波器件分析单片微波集成电路mmic射频集成电路rfic低温陶瓷共烧ltcc信号完整性sipbg结构分析封装package(sopsip)高温超导htsic互联emc/emi三、天线设计专业仿真软件grass9grass9介绍：1、分析方法：物理光学法physicaloptics(po)，物理绕射理论physicaltheoryofdiffraction(ptd)，几何光学法geometricaloptics(go)，几何绕射理论uniformgeometricaltheoryofdiffraction(gtd)。

2.可以分析多种类型的反射面天线，包括抛物面、椭球面和双曲面面(hyperboloid)、平面(plane)、球面(sphere)、通用二阶多项式表示的曲面(generalsecond-orderpolynomials)，以数值表示在规则或不规则栅格上面的曲面、zernikemodes曲面等等。

3.能够准确分析馈电系统支撑和支撑支柱对天线性能的影响。

Grasp9可以直接提供圆形和多边形支撑。

4、能设计分析多种不同的馈源方式（feedtype）5.可设置各种材质的天线反射器。

四、ansofthfss简介HFSS的理论基础是基于有限元法的电磁场仿真分析软件。

由于分析和测量实际天线的各种电参数往往需要花费大量的成本，因此可以在ANSOFTSS中建立需要研究的天线仿真模型，并设置相应的参数，如频率、激励源、辐射边界和精度。

天线阵列优化设计及性能测试技术研究在现代无线通信技术发展中，天线是无线传输中最核心的组件之一。

天线阵列技术可以有效提高天线的增益和方向性，减小信噪比，提高通信质量。

在实际应用中，如何设计出最优的天线阵列成为了一个重要的课题。

一、天线阵列的优化设计天线阵列的优化设计是通过设计成本函数对目标函数进行优化，得到最优化问题的最优解。

常用到的优化算法有遗传算法、神经网络、贪心算法等。

其中，遗传算法被广泛应用于天线阵列优化中。

遗传算法通过对天线阵列参数进行变异、交叉、选择等操作，通过不断迭代求得最优解。

遗传算法具有随机性、弱负载能力，但是因其适应于复杂的非线性优化问题而被广泛应用于天线阵列设计优化领域。

除了遗传算法，神经网络算法也能被应用于天线阵列设计。

神经网络算法通过模拟人脑运作，创造性地处理复杂难解问题。

通过对输入的参数进行学习和训练，神经网络算法能够较好地模拟人对物体的识别等行为。

在天线阵列的优化设计中，神经网络算法的应用需要一定的数据支持，且训练时间较长。

但在得到优化后的结果时，神经网络算法有着较好的智能性和准确性。

在天线阵列的优化设计中，贪心算法亦可作为一种选择。

贪心算法的核心思想是在每个步骤中选择当前最优的选项，以期得到最终的最优解。

贪心算法在天线阵列的优化设计中可以较好地克服其他算法处理时间成本高的问题。

以上三种算法在天线阵列优化设计中都有着较好的应用价值。

选择何种算法取决于具体的问题以及对设计性能的要求。

二、天线阵列性能测试技术研究天线阵列性能测试的核心就是对天线阵列的主要参数进行测试，包括增益、频率响应、功率分布等。

各项参数的测试需要准确、可重复地测量出相关指标。

常用的测试技术有阵元互耦校准法、间距较远法、参考天线法等。

在测试时，天线网络分析仪是一种常用的测试仪器，它能够实现对天线参数的精确测量。

天线网络分析仪主要通过高频信号输入端口和高频输出端口进行测试，实现信号传输和处理。

通过测试的数据可以比较精确地反映出实际工作中天线阵列的性能表现，并且可以为天线阵列的优化设计提供准确的依据。

平面结构阵列天线的仿真分析张健;刘晓倩;刘燕;李茹【摘要】由于各种微波射频系统对天线性能的要求越来越高,单个天线不易实现,而阵列天线通过对阵元数量、结构形态、排列方式、馈电幅度和相位的选择与优化,可得到单个天线元无法实现的辐射特性.以对微带天线的矩形贴片的分析为基础,完成Ku波段的4元线极化微带阵列天线设计.利用HFSS仿真软件构建阵列天线的物理模型,利用HFSS宏定义优化天线的尺寸参数,通过数据后处理得出驻波特性、3D增益、增益方向图和电场方向图等曲线.仿真结果表明,该4元微带阵列天线具有低副瓣、高增益特性,可满足天线工程需要.【期刊名称】《微处理机》【年(卷),期】2019(040)003【总页数】6页(P34-39)【关键词】微带阵列天线;馈电网络;Ku波段【作者】张健;刘晓倩;刘燕;李茹【作者单位】西北工业大学明德学院信息工程学院,西安710124;西北工业大学明德学院信息工程学院,西安710124;西北工业大学明德学院信息工程学院,西安710124;西北工业大学明德学院信息工程学院,西安710124【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;TN821.81 引言随着现代雷达和通信技术的蓬勃发展，各种微波射频系统对天线性能的要求日趋具体和严格。

因微带天线自身独特的优点，在通信、雷达等多个领域已被广泛应用，这就要求阵列天线不仅要具有特定形状的波束，还要结构紧凑，且体积和重量尽可能小，以满足不同条件下的工程需要。

阵列天线是由若干个天线单元按一定方式排列并给予适当激励获得预定方向图特性的天线；阵列天线的方向图特性是由天线单元数目、各单元间距、排列形式、幅度和相位五个要素确定的，同时还要考虑阵元自身的特性对阵列天线的影响。

阵列天线在结构上由载流线元、口径面元、尺寸较小的微带贴片等组成。

通过对阵元数量、结构形态、排列方式、馈电幅度和相位的选择与优化，可得到单个天线元无法实现的辐射特性。

因此，研究具有低副瓣、高增益特性的微带阵列天线的小型化、轻量化、高机动性，具有重要的工程意义。

阵列天线的ＦＥＫＯ仿真分析作者：刘源焦金龙来源：《计算机辅助工程》2009年第01期摘要：为在有限的硬件资源下，对复杂单元的大规模阵列天线进行有效分析，提出采用FEKO软件分析任意大规模阵列天线的有效方法. 首先应用FEKO进行相控阵分析，然后根据阵列天线的单元激励方向图(Active Element Pattern，AEP)进行阵列天线FEKO仿真分析. 实例表明，在普通硬件资源条件下，FEKO仿真分析可以在考虑单元互耦等实际因素的影响下，分析任意大规模阵列的方向图和端口特性等指标.关键词：阵列天线；单元激励方向图；互耦；FEKO中图分类号：U441.5；U444.18；TB115文献标志码：ASimulation and analysis on array antenna using FEKOLIU Yuan，JIAO Jinlong(PERA Tech. (Beijing) Co.，Ltd.，Beijing 100026，China)Abstract：To implement the effective analysis of large-scale array antenna with complicated elements under the condition of limited hardware resources，an effective method is proposed to analyze arbitrary large-scale array antenna by using FEKO. The phased array is analyzed. By introducing the concept of Active Element Pattern(AEP)，an array antenna is simulated by FEKO. The application indicates that the radiation pattern and impedance of arbitrary large-scale array antenna can be simulated and analyzed by FEKO under the normal condition of hardware resources，while considering the influence of the mutual coupling between the elements and so on.Key words：array antenna；active element pattern；mutual coupling；FEKO0 引言阵列天线[1]是由不少于2个天线单元规则或随机排列，并通过适当激励获得预定辐射特性的1类特殊天线. 阵列可由各种类型的天线组成，数目可以是2个甚至几十万个. 通过选择和优化阵单元的结构形态、排列方式和馈电幅相特性，阵列天线能够实现单个天线难以提供的优异特性，如更高的增益、方位分辨率、系统信噪比等指标，因此在雷达和通信等领域被广泛地应用.在仿真分析阵列天线的过程中，由于阵列天线孔径很大，经常会达到数十、上百个波长，计算过程中会划分大量网格，产生大量未知量，给仿真分析带来很大困难.1 FEKO简介FEKO是针对天线分析、天线布局及RCS等分析而开发的专业电磁场分析软件. 它从严格的电磁场积分方程出发，以经典的矩量法(Method of Moment，MOM)为基础，采用多层快速多极子(Multi-Level Fast Multipole Method，MLFMM)算法在保持精度的前提下大大提高计算效率，同时将矩量法与经典的高频分析方法(物理光学(Physical Optics，PO)，一致性绕射理论(Uniform Theory of Diffraction，UTD))完美结合起来，非常适合于分析开域辐射和雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)领域的各类电磁场问题.对于电大尺寸类问题，FEKO具备强大的分析能力，因此在阵列天线分析中的性能非常好.2 应用FEKO进行相控阵分析考虑如图1所示的阵列形式. 该阵列由30×4个半波振子构成，各阵元间距均为半波长. 其中，沿x方向的4个单元构成子阵，采用端射阵加权方式，即整个阵列由30个阵元间距为半波长的端射阵构成. 端射阵的方向图可直接通过FEKO计算得到，见图2.首先考虑均匀加权时的情况. 通过在FEKO中对各阵元添加端口，加入激励和负载等，可直接计算得到阵列方向图(见图3)，可计算得到方向性系数为19.6 dB.在实际工程中，Chebyshev[2]阵列也是常用的形式之一，可以在FEKO中调整各单元的加权幅度及相位实现不同主瓣指向的Chebyshev阵列. 图4为主瓣指向180°方向，即构成旁射阵时，控制旁瓣为-30 dB时的阵列方向图.图5为主瓣指向210°，同样旁瓣为-30 dB的阵列方向图.上述结果表明，通过FEKO软件能够进行相控阵的分析及设计. 由于采用矩量法进行计算时无须对空气进行网格剖分和设置边界条件等，所以对上述30×4的阵列进行仿真，仅需要14 MB的内存，在20 s内就能完成.3 阵列天线单元激励方向图综上所述，已经看到可以在FEKO中快速进行相控阵的分析和设计. 上例采用的单元形式为线天线，在应用矩量法分析时，未知量很小，耗费内存也很小.若考虑单元为面天线或其他复杂天线形式，仍可能产生大量未知量，对计算机硬件要求非常高.在FEKO多种激励模式中，包含等效源(在CADFEKO中可直接定义，也可在EDITFEKO 中应用AR卡)的激励模式，可读入计算或测量得到的方向图作为激励源.下面利用这一特点进行超大阵列及复杂阵单元构成阵列的仿真分析.4 基于AEP的阵列天线FEKO仿真分析首先考虑如图6所示13×3的阵列. 为说明采用的分析方法，这里仍旧采用线天线构成的阵列. 单元均为半波振子，阵元间距均为1/4波长.仍然将该阵列视为由13个单元(3个偶极子构成的端射阵)构成，且按图中所示排列.并称之为阵元1，阵元2，……，阵元13. 按上述AEP的定义，通过对阵元1加激励，其他各阵元均加负载即可计算得到阵元1的AEP. 由于其他单元对阵元1的AEP影响大小随阵元间距离的增大而减小，因此在计算AEP的过程中，无须所有阵单元全部参与计算.按照图7的方式，分别计算共有3个，4个和5个阵元存在情况下阵元1的AEP，并将计算到的方向图统一作在图8中. 图中，endfire是阵元1单独存在时的方向图；two more endfire 对应图7中模型1的方向图；with 3 endfire对应图7中模型2的方向图；with 4 endfire对应图7中模型3的方向图.由图8可见，模型3和模型4的结果已经较好重合，这表明阵元4对阵元1的影响很小，可以忽略(相应的阵元5到阵元13与阵元1的耦合也很小，可以忽略)，所以可以将模型2中单元1的AEP作为整个阵列阵元1的AEP. 因此，可以采用阵元1到阵元7构成的7元阵列(见图9)，来等效计算得到实际阵列各个阵元的AEP. 其中，各阵单元记为a1，a2，…，，则图6中阵元1的AEP对应于a1的AEP；阵元2对应于a2；阵元3对应于；阵元4到阵元10的AEP均对应于的AEP；阵元11对应于a5；阵元12对应于；阵元13对应于在FEKO中，各阵元的AEP在计算时可被分别自动存为扩展名为ffe的数据文件，并可在后续计算中以等效源的方式(CADFEKO中radiation pattern point source的激励模式)被读入. 如图10所示，按上述方式读入各阵元的AEP(其中，单元4到单元10位置上读入的均为图9中的AEP)，各阵元读入时选择的空间位置已经包含式(3)中的相位信息.按图10所示计算得到的方向图即为根据式(3)得到的阵列方向图，采用均匀加权激励的结果见图11. 在图11中，“full array”是应用FEKO对整体阵列进行仿真分析的结果；“equivalent”是采用上述方法，通过等效源的方式得到的结果. 可以看出两者的结果完全重合. 这种方法充分考虑单元间互耦的影响，并能够对等效源构成的阵列进行相位和幅度加权，实现相控阵. 采用这种基于AEP的方法，实际上只对少量单元(此例为7个)进行网格剖分，从而计算出整体阵列的方向图. 由这种方法能够得到任意多个(此例为13个)同样单元(此例为3元端射阵)按照等间距(这里为1/4波长)组成阵列的方向图，并且实际参与计算的单元数并不随着阵列规模的增大而增加. 因此，对于复杂形式单元构成的大规模阵列，该方法能够在得到有效计算结果的前提下，极为显著地减小计算规模及内存需求.图 11 阵列方向对该方法的具体归纳如下：(1)确定计算AEP所需的最小阵元数；(2)计算由最小阵元数所构成阵列的各阵元的AEP；(3)通过等效源的方式，计算阵列的方向图.下面考虑图12所示的16×4微带阵列. 阵单元采用FEKO 5.4例10的微带天线，工作频率为3 GHz.对该阵列，如果直接采用FEKO中的快速多极子进行计算，内存需求超过12 GB.对于该阵列，将纵向的4个单元作为子阵. 按照上述分析步骤，首先确定所需最小阵元数为9个，并分别计算9个子阵构成阵列的各单元的AEP，用p1，p2，…，表示. 随后，以等效源的方式读入，图12中阵元1对应p1，阵元2对应p2，阵元3对应，阵元4对应，阵元5到阵元12对应p5，阵元13~16分别对应于，，，最后，对等效源构成的阵列进行计算，结果见图13和14.图13和14分别是在xOz面和xOy面上对阵列实际建模分析计算的结果(full array)以及采用基于AEP的等效源方式(equivalent)计算的结果. 从结果可见，等效源的结果已与实际阵列的仿真结果较好地吻合，完全能够满足工程计算的要求，所需内存仅为6.5 GB(直接计算需要内存12 GB)，并能够得到任意多个这样的4单元子阵所构成的阵列.同时，在计算过程中并不需要引入子阵的概念. 例如，仍考虑阵单元为FEKO 5.4例10的微带天线组成的25×25的阵列，可以取出5×5的阵列来进行计算，分别计算各阵元的AEP(共25个)，随后通过等效源的方式依次读入，得到整个25×25阵列的方向图. 由于EDITFEKO中提供循环操作的文本输入方式，使得多次读取文件非常易于操作.5 总结首先以实例表明FEKO在阵列天线分析方面的良好性能，继而引入AEP的概念，提出在FEKO中对大规模阵列进行分析的有效方法. 通过计算由最小阵元数构成的小阵列的AEP，可有效得到任意大规模规则阵列的方向图，从而在有限的硬件资源下，对复杂单元的大规模阵列进行有效分析. 多个算例表明该算法的有效性.参考文献：[1] 张祖稷，金林，束咸荣. 雷达天线技术[M]. 电子工业出版社，2005：81-97.[2] DOLPH C L. A current distribution for broadside arrays which optimizes the relationship between beam width and side lobe level[J]. Proc IRE，1946，34(6)：335-348.[3] KELLEY D F，STUTZMAN W L. Array antenna pattern modeling methods that include mutual coupling effects[J]. IEEE Trans Antennas & Propagation，1993，41(12)：1625-1632.[4] 张志军，冯正和. 考虑互耦的圆形天线阵列方向图综合[J]. 电波科学学报，1997，12(4)：361-368.[5] 刘源，邓维波，李雷，等. 一种超方向性阵列天线综合方法[J]. 电子学报，2006，34(3)：459-463.(编辑廖粤新)“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”。

65Internet Technology互联网+技术引言微波热疗指的是利用微波在生物组织中的热效应，使组织升温将肿瘤细胞灭杀，达到治疗目的的技术方法。

微波热疗[1]分为体内热疗和体外热疗两种，前者要求将天线插入人体内，利用天线的热效应对肿瘤进行治疗；后者要求利用近场聚焦天线[2]将微波能量聚集到较小区域。

聚焦天线可以将电磁波聚焦到目标位置，而微带阵列天线具有结构简单，体积较小，易于共形，成本较低等优点，并且可以通过移相器控制传输相位实现近场聚焦，是微波热疗天线的优先选择。

本文设计了一种用于体外热疗的4×4微带阵列天线，天线总体尺寸为305mm×310mm×1.6mm，结构简单，体积较小。

一、微带阵列天线结构设计本文设计的近场聚焦微带天线阵列如图1所示。

图1 近场聚焦微带阵列天线图1.1微带贴片单元设计选择U 形槽天线[3]作为阵列天线的阵元，中心频率为2.45GHz 的医用电磁波频率。

在辐射贴片开槽可以改变贴片中电流分布，激发相对较低的谐振频率，与较高谐振频率相微波热疗阵列天线设计王守源 中国信息通信研究院 泰尔系统实验室张丽华 北京理工大学 信息与电子学院臧家伟 中国信息通信研究院 泰尔系统实验室王学田 北京理工大学 信息与电子学院□【摘要】 基于电磁聚焦理论，本文设计一种工作于2.45GHz 的4×4近场聚焦微带阵列天线。

选取具有宽带特性的U 形槽天线作为阵元，通过调整微带馈线的长度，控制每个辐射单元的电场在给定点处相位相同，实现同向叠加，达到近场聚焦的目的。

利用三维电磁仿真软件HFSS18对阵列天线进行仿真，结果表明：聚焦天线可以很好的在焦点位置实现聚焦。

该阵列天线可用于微波体外热疗。

【关键词】 微波热疗 近场聚焦 微带天线 阵列天线互作用，扩展微带天线的带宽。

介质板材料为FR4（εr =4.4），厚度为1.6mm。

采用特性阻抗100欧姆的微带线对阵元进行馈电。

天线仿真实验的设计与教学实践汪涛;毛剑波;刘士兴;黄正峰【摘要】基于时域有限差分法电磁仿真软件FDTD,设计了系列天线仿真实验.通过仿真软件,对天线进行了建模,经计算得出系列天线性能参数,如远场辐射方向图、回波损耗、驻波比、阻抗匹配等.计算并分析了矩形微带天线、直线阵列、相控阵天线和平面阵列天线的远场方向特性,并在教学中验证了天线仿真实验的可行性,收到了较好的教学效果,加深了学生对天线技术等课程的理解.%Based on electromagnetic simulation software, using finite difference of time domain ,a series of simulation experiments of antennas are designed. The antennas is modeled and simulated by the simulation software , and a series of antenna performance parameters are obtained by computing , such as far field radiation pattern, reflection loss, voltage standing wave ratio, impedance matching, etc. Far field radiation characteristics of rectangle patch antenna, linear antenna array, phased array antenna and planar antenna array are calculated and discussed,then the feasibility of simulation experiments for Antenna course is verified in teaching. Practice proves that the simulation experimental teaching is a useful means to improve teaching effect of Antenna course.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2012(029)012【总页数】5页(P89-93)【关键词】天线;仿真实验;时域有限差分法;辐射方向图【作者】汪涛;毛剑波;刘士兴;黄正峰【作者单位】合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TN82在电子信息工程、通信工程等相关专业的教学规划中，天线技术是必修课之一。