電大平臺(tái)天線布局仿真之天線隔離度分析

1概述

天線間的隔離度(或耦合度)可以很直觀地評(píng)估平臺(tái)上不同天線間相互影響的情況，在諸如車載、機(jī)載和艦載等電大平臺(tái)的電磁兼容性指標(biāo)中，天線間隔離度是非常重要的參數(shù)。在此前的《HFSS電大平臺(tái)天線布局仿真之實(shí)裝天線性能評(píng)估》推文中，我們基于HFSS SBR+求解器對(duì)機(jī)載平臺(tái)上的單極子天線性能進(jìn)行了仿真評(píng)估。這里書接上文，繼續(xù)利用HFSS SBR+求解器仿真機(jī)載平臺(tái)上多幅天線之間的隔離度。 在給定平臺(tái)的約束條件下，做好天線間的隔離，可以考慮以下2個(gè)因素： ?極化隔離，即不同極化方式對(duì)隔離度的影響 ?方位隔離，即天線間的相對(duì)布局對(duì)隔離度的影響 本文將基于ANSYSElectronics2021 R2，演示如何利用HFSS評(píng)估機(jī)載平臺(tái)上天線間的隔離情況，同時(shí)也將展示HFSS中創(chuàng)建天線的不同方法，這些方法可以覆蓋多種工程應(yīng)用場(chǎng)景。

2機(jī)載平臺(tái)模型

機(jī)載平臺(tái)模型與此前推文案例《HFSS電大平臺(tái)天線布局仿真之實(shí)裝天線性能評(píng)估》相同。

2.1極化隔離示例

平臺(tái)上的通信系統(tǒng)不得不考慮極化隔離，即干擾源與干擾對(duì)象在布局上采取極化隔離措施，以減少相互之間的耦合。這里考慮兩副天線，除極化方式外，其他參數(shù)相同，天線安裝位置如圖1所示，假定比較糟糕的一種情況：兩副天線主波束相向輻射。同時(shí)，指定天線1為被干擾的天線（接收天線），天線2為產(chǎn)生干擾的天線（發(fā)射天線）。

圖1天線在平臺(tái)上的布局

2.1.1天線建模

天線1和天線2均采用ParametricBeam方法創(chuàng)建，右鍵點(diǎn)擊ProjectManager>HFSSDesign>Excitation，選擇CreateAntennaComponent>ParametricBeam，如圖2所示。

圖2ParametricBeam快速創(chuàng)建天線模型 其中天線1極化方式選擇Vertical固定不變，天線2的極化方式在4個(gè)不同的HFSSDesign中依次選為Vertical、Horizontal、LHCP、RHCP。 由于兩副天線之間相互均可以發(fā)射或者接收，從S參數(shù)角度可以看作是2端口網(wǎng)絡(luò)，由于我們此處只考慮天線2對(duì)天線1的影響，即只考慮S12。為了減少計(jì)算量，我們可以指定天線1為接收天線、天線2為發(fā)射天線。方法為，右鍵點(diǎn)擊ProjectManager>HFSSDesign>Excitation，選擇SelectTx/Rx，彈出窗口設(shè)置如圖3所示。

圖3收發(fā)天線設(shè)置

2.1.2求解設(shè)置

Solutionsetup設(shè)置如下圖所示，由于我們重點(diǎn)關(guān)注隔離度情況，因此為了減少計(jì)算量從而縮短仿真時(shí)間，此處我們不勾選ComputeFields，如圖4所示。

圖4極化隔離的求解設(shè)置

2.1.3極化隔離仿真結(jié)果

建好模型及求解設(shè)置，運(yùn)行仿真。右鍵點(diǎn)擊ProjectManager>HFSSDesign>Result，選擇Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，如圖5所示選擇相應(yīng)的S參數(shù)。注，由于我們提前指定了Rx/Tx，此處僅有一個(gè)S參數(shù)結(jié)果可選。

圖5創(chuàng)建S參數(shù)結(jié)果 得到結(jié)果如圖6所示。該仿真得到了相同參數(shù)的天線在不同極化方式下的隔離度。其中當(dāng)天線1和2均為垂直極化時(shí)，隔離度最差；當(dāng)天線1為垂直極化、天線2分別為左旋圓極化(LHCP)和右旋圓極化(RHCP)時(shí)，隔離度介于前兩者之間且曲線重合。

圖6極化隔離仿真結(jié)果

2.2方位隔離示例

方位隔離可以簡(jiǎn)單的理解為方向、位置及其組合對(duì)隔離的影響。這里我們考慮2種場(chǎng)景，場(chǎng)景1考慮輻射方向的影響：受干擾的接收天線和產(chǎn)生干擾的發(fā)射天線，兩者位置固定不變，而發(fā)射天線的主波束在平面上的-45°到+45°區(qū)間掃描，如圖7所示；場(chǎng)景2考慮相對(duì)位置的影響：接收天線固定不變，僅改變發(fā)射天線的相對(duì)位置，如圖8所示。注：兩種場(chǎng)景采用的天線種類將有所不同，也特地選擇了不同的天線建模方法。

圖7場(chǎng)景1：方向隔離

圖8場(chǎng)景2：位置隔離

2.2.1天線建模

2.2.1.1場(chǎng)景1天線模型

首先為接收天線和發(fā)射天線建立相對(duì)坐標(biāo)系，如下所示：

圖9場(chǎng)景1相對(duì)坐標(biāo)系 è創(chuàng)建接收天線 采用單極子天線，工作頻率1.56GHz，利用“wireMonopole”方法實(shí)現(xiàn)，右鍵點(diǎn)擊ProjectManager>HFSSDesign>Excitation，選擇CreateAntennaComponent>Wire Monopole，并在彈出的窗口中如圖10設(shè)置。注：此時(shí)將RX_CS坐標(biāo)系設(shè)置為當(dāng)前工作的坐標(biāo)系。

圖10接收天線創(chuàng)建方法及參數(shù)設(shè)置 è創(chuàng)建發(fā)射天線 采用自定義波束天線，利用“ParametricBeam”方法實(shí)現(xiàn)，右鍵點(diǎn)擊ProjectManager>HFSSDesign>Excitation，選擇CreateAntennaComponent>ParametricBeam，如圖11所示。注：此時(shí)將TX_CS坐標(biāo)系設(shè)置為當(dāng)前工作的坐標(biāo)系。為了仿真發(fā)射天線朝向不同方位輻射的情況，將該天線沿Z軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度設(shè)定為變量rotate_Tx：-45°~+45°，step=15°。 為了減少計(jì)算量，我們可以指定wireMonopole天線為RX天線、ParametricBeam天線為Tx天線。方法為，右鍵點(diǎn)擊ProjectManager>HFSSDesign>Excitation，選擇SelectTx/Rx并相應(yīng)的指定即可。

圖11發(fā)射天線創(chuàng)建方法及參數(shù)設(shè)置

2.2.1.2場(chǎng)景2天線模型

首先為接收天線和發(fā)射天線建立相對(duì)坐標(biāo)系，其中發(fā)射天線的x坐標(biāo)設(shè)置為變量Lx（-4m,2m,stpe=1m），以便后續(xù)仿真不同位置變化對(duì)隔離度的影響。如下所示：

圖12場(chǎng)景2相對(duì)坐標(biāo)系 è創(chuàng)建接收天線 采用單極子天線，工作頻率0.5GHz，利用“wireMonopole”方法，實(shí)現(xiàn)方式如同4.1.1節(jié)的接收天線建模。 è創(chuàng)建發(fā)射天線 采用GPS天線，工作頻率1.56GHz，利用AntennaToolkit方法。具體如下： 首先，在主菜單View>ACT Extensions>Launch Wizards>HFSS Antenna Tool kit>AntennaType>Custom>GPS Ceramic Patch，點(diǎn)擊finish后界面會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)新的GPS天線的Project，如圖13、14所示。 為了減少計(jì)算量，我們可以指定wireMonopole天線為RX天線、GPS天線為Tx天線。方法為，右鍵點(diǎn)擊ProjectManager>HFSSDesign>Excitation，選擇SelectTx/Rx并相應(yīng)的指定即可。

圖13AntennaToolkit創(chuàng)建GPS天線

圖14自動(dòng)創(chuàng)建的名稱為“GPS_patch_ceramic_ATK1”的Project 我們?nèi)绾螌⑦@個(gè)GPS天線導(dǎo)入到場(chǎng)景中呢？ 1）可以將該模型創(chuàng)建為3DComponent 2）也可以選擇LinktoSourceDesign 3）再或者導(dǎo)入該天線3D遠(yuǎn)場(chǎng)輻射結(jié)果，以作為激勵(lì)源。 這里我們介紹第3種方法，即利用“Excitation→ByFile”的方法導(dǎo)入GPS天線遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，具體方法如下： （1）.ffd數(shù)據(jù)導(dǎo)出 首先在自動(dòng)創(chuàng)建的“GPS_patch_ceramic_ATK1”Project中，雙擊Analysis下的ATK_Solution，在Advanced選項(xiàng)卡下的FarFiledObservationDomain選中3D。注意必須選擇3D，我們才能將GPS天線的3維輻射場(chǎng)導(dǎo)出。如圖15所示。

圖15求解設(shè)置-FarFiledObservationDomain 隨后對(duì)ATK_Solution下的SParam_Sweep進(jìn)行掃頻設(shè)置，將插值Interpolating改為離散Discrete，掃頻范圍設(shè)置在1.5GHz~1.65GHz，掃描點(diǎn)100個(gè)，如圖16所示。

圖16SParam_Sweep掃頻設(shè)置 運(yùn)行仿真，仿真完成后，在Radiation下方右鍵點(diǎn)擊“3D”并選擇ComputeAntennaParameters，彈出窗口的設(shè)置如圖17所示，然后選擇ExportFields導(dǎo)出并保存.ffd文件。

圖17遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù).ffd文件導(dǎo)出 （2）.ffd數(shù)據(jù)導(dǎo)入 回到場(chǎng)景2的ProjectManager中，首先將當(dāng)前工作坐標(biāo)系設(shè)定為TX_CS，然后右鍵點(diǎn)擊Excitation，選擇CreateAntennaComponent>Byfile，彈出窗口中選擇External…，并找到上一步導(dǎo)出的.ffd文件。如圖18所示。

圖18 .ffd文件導(dǎo)入

2.2.2求解設(shè)置

2.2.2.1場(chǎng)景1求解設(shè)置

Solutionsetup設(shè)置如下圖所示，由于我們重點(diǎn)關(guān)注隔離度情況，因此為了減少計(jì)算量從而縮短仿真時(shí)間，此處我們不勾選ComputeFields，如圖19所示。

圖19場(chǎng)景1方向隔離的求解設(shè)置

2.2.2.2場(chǎng)景2求解設(shè)置

同樣，為了減少計(jì)算量從而縮短仿真時(shí)間，此處我們不勾選ComputeFields，如圖20所示。

圖20場(chǎng)景2位置隔離的求解設(shè)置

2.2.3方位隔離仿真結(jié)果

2.2.3.1場(chǎng)景1方向隔離的仿真結(jié)果

右鍵點(diǎn)擊ProjectManager>HFSSDesign>Result，選擇Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，得到如圖21所示的S參數(shù)結(jié)果。結(jié)果顯示，當(dāng)roatat_Tx=0°時(shí)，即發(fā)射天線主波束沿+X方向時(shí)，隔離度最差，roatat_Tx=45°時(shí)，即發(fā)射天線主波束與+X軸夾角45°時(shí)，隔離度最好。

圖21場(chǎng)景1方向隔離仿真結(jié)果

2.2.3.2場(chǎng)景2位置隔離的仿真結(jié)果

右鍵點(diǎn)擊ProjectManager>HFSSDesign>Result，選擇Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，得到如圖22所示的S參數(shù)結(jié)果。結(jié)果顯示，Lx=2m時(shí)，即發(fā)射天線離接收天線最近時(shí)，隔離度最差；整體而言當(dāng)Lx=-2~-4m時(shí)，隔離度逐漸變好。

圖22場(chǎng)景2位置隔離仿真結(jié)果

3結(jié)論

首先必須強(qiáng)調(diào)的是，本案例考慮的場(chǎng)景或者因素相對(duì)單一，以上幾種隔離場(chǎng)景在實(shí)際工程中，需要進(jìn)行綜合考慮。 本案例在HFSS SBR+求解類型下，利用了Byfile、ParametricBeam、WireMonopole等方式創(chuàng)建了天線模型，這些方式可供不同的工程實(shí)際而選擇。可以看到，針對(duì)電大載體平臺(tái)的極化隔離、方位隔離等電磁兼容問題，利用HFSS SBR+對(duì)進(jìn)行仿真是一種很好的手段，可以幫助我們有效地預(yù)測(cè)平臺(tái)級(jí)電磁兼容問題，并為問題的解決提供解決思路與預(yù)先驗(yàn)證。

審核編輯 ：李倩