基于CST相控阵天线快速设计方法

前言

在上世纪三十年代，相控阵技术就已经出现在军事领域的雷达应用中。近年来随着模拟微波/毫米波集成电路（MMIC）技术、数字波束形成技术、计算机及信号处理技术突飞猛进的发展，相控阵理论也得到了长足的发展，结合相控阵理论的天线技术也成为天线领域里的一个热门话题。相控阵雷达成为近几年快速发展的一种新型雷达，主要的优点在于其搜索跟踪目标时，阵列天线是固定的，只要改变天线阵元间的相位差，即可达到使天线方向图进行无惯性扫描的目的，避免了使阵列天线做机械转动时的一系列问题。并且通过改变天线阵元馈电幅度的大小，也可以使天线阵方向图的形状进行一定的改变，以便应对不同的需求。目前，相控阵雷达已经成为一个具有多目标搜索跟踪、高自适应能力的先进检测系统。

当前计算机技术和各种三维电磁软件的发展，为天线设计提供了强大的辅助，目前使用较多的有FEKO，HFSS，CST等软件，本文采用CST设计一款相控阵天线，实现波束扫描，相对于传统方法，大大节省计算资源和时间。

1．单元设计

这里方便起见，采用背馈的微带天线，模型如下

本文设计在73.5GHZ左右，经过不断优化仿真，得到回拨损耗如下图

上图可知，-10db带宽为71GHz---76.5GHz

天线单元的增益比较重要，太小的话会影响天线阵列的性能，根据相关理论，天线单元没翻倍，增益将增加3dB左右，当然这是在理想情况下，也就是耦合很小情况。

上图可知，微带单元的最大辐射方向垂直于贴片，最大增益为7.64dB，符合常规要求。

二.阵列快速建立

接下来打开CST阵列快速建模功能如下如，这里采用椭圆形，单元个数在x方向为30个，y方向为20个。间隔3mm。

为了有效减低副瓣，采用泰勒综合功能

上图可知，在周边幅度尽量小，中心大，这样可以有效得到低副瓣。

生成阵列模型，运行仿真。

有源s11如下

副瓣电平-29.8dB，3db波束宽度为4.8deg。

三.实现波束扫描

接下来进行30度扫描只需在参数指定最大方向theta为30deg即可

上图可知最大方向为30deg 。

CST相对于HFSS软件来说，占用内存相对较小，上图是整个模拟情况的日志，仿真总的占用内存约3.2G，网格数量为8864208，仿真总的耗时为1小时6分5秒，使用的是i5的5代4核笔记本。

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