基于ANSYS HFSS軟件仿真新型的毫米波圓極化寬波束平行平板天線

1摘要

本文基于ANSYS HFSS軟件仿真分析一種新型的毫米波圓極化寬波束平行平板天線。傳統(tǒng)的平行平板天線應(yīng)用兩個相距大約半個波長的金屬平行平板，構(gòu)成一個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)支持TE波的輻射。文獻Kai Lu and Kwok Wa Leung, “On the Circularly Polarized Parallel-Plate Antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 68, no. 1, pp. 3-12 Jan. 2020.中指出如果對上述平行平板結(jié)構(gòu)施加一個不與平板平行的電流激勵，那么這種結(jié)構(gòu)也支持TEM波。由于TE波的相速度高于TEM波的相速度，當平行平板的高度恰好使得TE波的相位和TEM波的相位相差90度的時候，傳統(tǒng)的線性極化平行平板天線就可以轉(zhuǎn)化成圓極化天線。

新型平行平板天線結(jié)構(gòu)的三維視圖、頂視圖和主視圖如圖所示。這種天線在結(jié)構(gòu)上可以分成兩個部分，上部是由兩塊平行平板和連接平板的基板構(gòu)成的極化器和天線，下部是由波導(dǎo)和饋電線纜構(gòu)成的饋電部分，兩個部分之間由一個斜向開孔的槽相互連接。這種結(jié)構(gòu)的好處是天線的主要輻射部分和饋電部分相對獨立。 本文詳細敘述了新型圓極化平行平板天線的設(shè)計思路，通過仿真驗證天線設(shè)計思路的正確性（極化器中TE波和TEM波的電場云圖）、圓極化特性（平極化器頂部的電場的矢量圖）、阻抗匹配特性和方向圖（遠場的左旋極化增益和右旋極化增益）。

左右滑動查看更多 極化器和天線部分的設(shè)計任務(wù)主要是確定平行平板的間距和平行平板的高度。饋電部分的主要設(shè)計任務(wù)是確定饋電波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、饋電探針的位置和饋電線纜的尺寸。以及連接極化器和饋電波導(dǎo)之間斜向開孔槽的幾何參數(shù)。本文應(yīng)用理論推導(dǎo)的方法計得出選型方案，并應(yīng)用ANSYS HFSS仿真分析，確定參數(shù)選擇的正確性。在本文的最后對天線進行優(yōu)化，用半圓平板替代了矩形平板。

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HFSS仿真流程

2.1 平行平板天線的圓極化原理

上圖是圓極化平行平板天線極化器的示意圖，平板間距d，考慮TEM模和TE1模。TEM模的電場分量是Ex，TE1模的電場分量是Ey。假設(shè)平行平板是無限長的，可以計算出TEM模和TE1的相位常數(shù)如下：

選取合適的平板高度h1可以使得：

這里選取n=1?；谏鲜龇治隹芍? ????????????????????????????????????????????????????????????? 其中d的取值下限接近TE1模的截止頻率，取值上限接近TE2模的截止頻率。為了最大化天線的帶寬，本文平板間距d選取接近其上限。

2.2 參數(shù)選取

圓形極化天線的參數(shù)化示意圖如下圖所示。

基于上述分析，并考慮到毫米波天線的應(yīng)用背景，本文設(shè)計的圓極化天線的工作頻率設(shè)定在26GHz附近，因而選取d=10.0mm，h1=16.6mm，l1=2h1=33.3mm。 基于EIA標準（Electronic Industries Alliance）標準，饋電部分的波導(dǎo)尺寸選取為h3=4.32mm，l3=8.64mm。開孔槽的尺寸選擇主要考慮要充分利用饋電波導(dǎo)的有效面積，這里選取a=36deg，h2=2.0mm，l2=6.3mm。 其他參數(shù)如下：w0=4.0mm，w1=6.0mm，w2=1.0mm，l4=12mm，d5=2.35mm，l5=2.5mm。 饋電電纜的介電常數(shù)（epsinr）、內(nèi)導(dǎo)體半徑（r）和外導(dǎo)體半徑（R）的選取要滿足基本的阻抗匹配原則（本文選取的端口阻抗是50ohm）： ??????????????????????????????? 為了盡量不破壞饋電波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)，本文選取饋電探針的半徑盡量細小r=0/2mm，R和spsinr的取值滿足上述的阻抗匹配原則即可。

2.3 建模

新建HFSS工程文件，求解類型選擇模式驅(qū)動。（終端驅(qū)動通常用于包含多導(dǎo)體傳輸線端口的模型）。設(shè)置默認的長度單位為毫米?？紤]到建模速度，在HFSS Design Setting里面勾選Enable material override。應(yīng)用參數(shù)化建模的方法，在HFSS -> Design Properties 里面輸入?yún)?shù)選取過程中，確定的模型參數(shù)。

首先，創(chuàng)建極化器和天線模型。在工具欄Default Material里選擇材料copper。建立模型過程中，在模型Attribute選項卡中勾選Material Appearance，即不用再給copper材料屬性模型的color選項賦值。創(chuàng)建完成后的模型如圖所示。

然后創(chuàng)建饋電部分，Default Material里選擇材料vacuum。創(chuàng)建饋電部分需要注意的是饋電探針部分需要選擇材料參數(shù)為copper。由于饋電波導(dǎo)有一部分是嵌入到極化器背板之中的。饋電部分創(chuàng)建完成后，需要應(yīng)用Boolean操作subtract將這一部分從極化器中減去（勾選Clone tool objects before operation）。創(chuàng)建完成后的模型如圖所示。

最后創(chuàng)建用于設(shè)置包裹極化器和天線部分用于設(shè)置輻射邊界條件的Air Box。ANSYS HFSS中，通常需要輻射邊界距離天線至少四分之一波長。這里先應(yīng)用 HFSS -> Toolkit -> Wavelength Calculator 計算波長11.5mm，這里選取Air Box在方向上，包裹極化器和天線部分且超出5mm。創(chuàng)建完成后的模型如圖所示（其中包含用于后處理的非模型的兩個幾何面）。

2.4 激勵和邊界條件

由于ANSYS HFSS的默認邊界條件是pec，因此不用對饋電線纜的外表面和饋電波導(dǎo)的外表面再設(shè)置邊界條件。只需要在Air Box的外表面設(shè)置輻射邊界條件。首先分別選取Air Box的底面、極化器和天線部分的底面，應(yīng)用Create Object From Faces功能創(chuàng)建兩個幾何面，然后應(yīng)用Boolean操作Subtract，得到輻射邊界條件的底面，如圖所示。 選取上述這個面和Air Box的其余5個面，設(shè)置為輻射邊界條件。 上述Air Box僅僅包裹了極化器和天線部分，并未包裹饋電網(wǎng)絡(luò)部分，因此饋電電纜的端口位于模型的“外部”，便于我們設(shè)置波端口激勵。 選取饋電電纜的橫截面，Assign Excitation -> Wave Port，并設(shè)置端口阻抗為50ohm。

2.5 求解設(shè)置

Solution Frequency設(shè)置為26GHz，Maximum Number of Passes設(shè)置為10，Maximum Delta S設(shè)置為0.001。頻率掃描設(shè)置為Linear Step掃描，從22GHz到30GHz，Step Size 設(shè)為0.04GHz。由于模型規(guī)模較小，為了確保仿真精度和便于觀察不同掃描頻點的遠場方向圖，Sweep Type 選為Discrete。為了便于后處理中觀察不同掃描頻點的遠場方向圖，勾選3D Fields Save Options，Save radiated fields only。

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HFSS仿真結(jié)果

3.1 輻射電場矢量圖

在平行平板天線上方中心處，做一個5mm X 5mm的平面（XOY面），觀察相位為0deg，90deg，180deg，270deg的電場矢量圖?？梢钥吹?，輻射電場的方向隨著相位呈現(xiàn)周期化旋轉(zhuǎn)的特征，說明天線是圓極化天線。

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3.2 TEM模和TE1模電場云圖

在平行平板天線的縱向中心切面（YOZ面），繪制TEM模（）和TE1模（）的電場云圖。 首先在場計算器中，計算得到（Real(ScalarX()）和（Real(ScalarY()）。

TEM模的電場云圖：

TE1模的電場云圖：

觀察上述兩個模態(tài)的電場云圖，可知在平行平板的輻射口面上，兩個模態(tài)電場的相位差在90度附近，符合本文前述的分析內(nèi)容。

3.3 S參數(shù)

觀察天線的端口S參數(shù)曲線，可以找到兩個模態(tài)的頻率分別在25.24GHz和27.28GHz附近。10dB阻抗帶寬從24.72GHz至27.84GHz。

3.4 軸比和天線的實際增益

在ANSYS HFSS中觀察遠場數(shù)據(jù)，需要先在Radiation中Insert Far Field Setup，這里設(shè)置在YOZ平面（Phi=90度，Theta從-180度到180度，間隔1度）上觀察遠場的軸比和實際增益。 觀察天線的軸比，3dB軸比帶寬從23.80GHz至29.38GHz。

觀察天線的實際增益，最大實際增益為8.1505dB位于25.08GHz。3dB實際增益帶寬從23.88GHz至29.72GHz。 綜上，天線的有效工作頻帶寬度可以覆蓋從24.72GHz至27.84GHz。

3.5 遠場方向圖

分別在24.4GHz、26GHz、28.8GHz，兩個觀察平面（XOZ平面和YOZ平面）繪制天線的左旋極化（LHCP）增益和右旋極化（RHCP）增益。

上述方向圖曲線，表明本文論述的圓極化平行平板天線在工作頻帶內(nèi)是左旋極化的。

3.6 天線優(yōu)化

在平行平板天線的縱向中心切面（XOZ面），繪制電場云圖，觀察可以發(fā)現(xiàn)天線的輻射電場的波前面更加近似于一個圓柱面。因此可以將極化器和天線部分中的矩形平行平板優(yōu)化成兩個半圓平行平板。這里半圓的半徑值，其他設(shè)置均不改變，重復(fù)上述仿真過程。

3.7 半圓平行平板天線的S參數(shù)

觀察天線的端口S參數(shù)曲線，可以找到兩個模態(tài)的頻率分別在25.44GHz和27.20GHz附近。10dB阻抗帶寬從24.80GHz至27.90GHz。

3.8 半圓平行平板天線的軸比和天線的實際增益

觀察天線的軸比，3dB軸比帶寬從23.12GHz至29.00GHz。 觀察天線的實際增益，最大實際增益為7.4655dB位于27.72GHz。3dB實際增益帶寬從24.08GHz至29.64GHz。 綜上，天線的有效工作頻帶寬度可以覆蓋從24.80GHz至27.90GHz。

3.9 遠場方向圖

分別在24.4GHz、26GHz、28.8GHz，兩個觀察平面（XOZ平面和YOZ平面）繪制天線的左旋極化（LHCP）增益和右旋極化（RHCP）增益。

上述方向圖曲線，表明本文論述的圓極化平行平板天線在工作頻帶內(nèi)是左旋極化的。

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投入資源與時間

矩形平行平板天線和半圓形平行平板天線的仿真時間和內(nèi)存需求分別如下圖所示。天線規(guī)模較小，仿真工作可以在普通的移動工作站上順利完成。

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結(jié)論

基于ANSYS HFSS仿真分析一種新型的毫米波圓極化寬波束平行平板天線。不同于傳統(tǒng)的線極化平行平板天線，這種新型天線基于其支持的TEM模和TE模電磁波傳播速度的不同，實現(xiàn)了圓極化。 詳細論述了這種新型天線的設(shè)計思路、參數(shù)的選取方法。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS HFSS軟件完成了上述天線的仿真驗證工作。應(yīng)用HFSS軟件內(nèi)置的Wavelength Calculator計算電磁波的波長，從而合理地確定了仿真區(qū)域的大小。 應(yīng)用HFSS軟件內(nèi)置的場計算器和場分布圖繪制功能，繪制出極化器和天線中TEM模（Ex）和TE1模（Ey）的電場云圖，驗證了平行平板天線的圓極化方法的正確性。 應(yīng)用HFSS軟件內(nèi)置的S參數(shù)、軸比（Axial Ratio）、實際增益（Realized Gain）后處理功能，確定了天線的工作帶寬。 應(yīng)用HFSS軟件內(nèi)置的遠場左旋極化增益（GainLHCP）和右旋極化增益（GainRHCP）后處理功能，繪制遠場增益方向圖，進一步確定了在天線工作寬帶內(nèi)天線的圓極化特性。 最后，通過觀察極化器和天線縱向中心切面（XOZ面）的電場云圖，將矩形平行平板天線的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化成半圓形平行平板天線。 本文轉(zhuǎn)載自老貓電磁館 THE END

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原文標題：毫米波圓極化平行平板天線仿真應(yīng)用案例

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