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)的平行平板天線應用兩個相距大約半個波長的金屬平行平板，構成一個波導結構支持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構施加一個不與平板平行的電流激勵，那么這種結構也支持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化成圓極化天線。

新型平行平板天線結構的三維視圖、頂視圖和主視圖如圖所示。這種天線在結構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成的極化器和天線，下部是由波導和饋電線纜構成的饋電部分，兩個部分之間由一個斜向開孔的槽相互連接。這種結構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計思路，通過仿真驗證天線設計思路的正確性（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計任務主要是確定平行平板的間距和平行平板的高度。饋電部分的主要設計任務是確定饋電波導的結構參數(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之間斜向開孔槽的幾何參數(shù)。本文應用理論推導的方法計得出選型方案，并應用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用背景，本文設計的圓極化天線的工作頻率設定在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）、內導體半徑（r）和外導體半徑（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的幾何結構，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動。（終端驅動通常用于包含多導體傳輸線端口的模型）。設置默認的長度單位為毫米。考慮到建模速度，在HFSS Design Setting里面勾選Enable material override。應用參數(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)建用于設置包裹極化器和天線部分用于設置輻射邊界條件的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的外表面再設置邊界條件。只需要在Air Box的外表面設置輻射邊界條件。首先分別選取Air Box的底面、極化器和天線部分的底面，應用Create Object From Faces功能創(chuàng)建兩個幾何面，然后應用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)絡部分，因此饋電電纜的端口位于模型的“外部”，便于我們設置波端口激勵。 選取饋電電纜的橫截面，Assign Excitation -> Wave Port，并設置端口阻抗為50ohm。

2.5 求解設置

Solution Frequency設置為26GHz，Maximum Number of Passes設置為10，Maximum Delta S設置為0.001。頻率掃描設置為Linear Step掃描，從22GHz到30GHz，Step Size 設為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，其他設置均不改變，重復上述仿真過程。

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計思路、參數(shù)的選取方法。在此基礎上，應用ANSYS HFSS軟件完成了上述天線的仿真驗證工作。應用HFSS軟件內置的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。 應用HFSS軟件內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。 應用HFSS軟件內置的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。 應用HFSS軟件內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構優(yōu)化成半圓形平行平板天線。 本文轉載自老貓電磁館 THE END

責任編輯：xj

原文標題：毫米波圓極化平行平板天線仿真應用案例

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