电大平台天线布局仿真之天线隔离度分析

电大平台天线布局仿真之天线隔离度分析

1概述

天线间的隔离度(或耦合度)可以很直观地评估平台上不同天线间相互影响的情况，在诸如车载、机载和舰载等电大平台的电磁兼容性指标中，天线间隔离度是非常重要的参数。在此前的《HFSS电大平台天线布局仿真之实装天线性能评估》推文中，我们基于HFSS SBR+求解器对机载平台上的单极子天线性能进行了仿真评估。这里书接上文，继续利用HFSS SBR+求解器仿真机载平台上多幅天线之间的隔离度。 在给定平台的约束条件下，做好天线间的隔离，可以考虑以下2个因素： 极化隔离，即不同极化方式对隔离度的影响 方位隔离，即天线间的相对布局对隔离度的影响 本文将基于ANSYS Electronics 2021 R2，演示如何利用HFSS评估机载平台上天线间的隔离情况，同时也将展示HFSS中创建天线的不同方法，这些方法可以覆盖多种工程应用场景。

2机载平台模型

机载平台模型与此前推文案例《HFSS电大平台天线布局仿真之实装天线性能评估》相同。

2.1极化隔离示例

平台上的通信系统不得不考虑极化隔离，即干扰源与干扰对象在布局上采取极化隔离措施，以减少相互之间的耦合。这里考虑两副天线，除极化方式外，其他参数相同，天线安装位置如图1所示，假定比较糟糕的一种情况：两副天线主波束相向辐射。同时，指定天线1为被干扰的天线（接收天线），天线2为产生干扰的天线（发射天线）。

图1 天线在平台上的布局

2.1.1天线建模

天线1和天线2均采用Parametric Beam方法创建，右键点击Project Manager>HFSS Design >Excitation，选择Create Antenna Component>Parametric Beam，如图2所示。

图2 Parametric Beam快速创建天线模型 其中天线1极化方式选择Vertical固定不变，天线2的极化方式在4个不同的HFSS Design中依次选为Vertical、Horizontal、LHCP、RHCP。 由于两副天线之间相互均可以发射或者接收，从S参数角度可以看作是2端口网络，由于我们此处只考虑天线2对天线1的影响，即只考虑S12。为了减少计算量，我们可以指定天线1为接收天线、天线2为发射天线。方法为，右键点击Project Manager>HFSS Design >Excitation，选择Select Tx/Rx，弹出窗口设置如图3所示。

图3 收发天线设置

2.1.2求解设置

Solution setup设置如下图所示，由于我们重点关注隔离度情况，因此为了减少计算量从而缩短仿真时间，此处我们不勾选Compute Fields，如图4所示。

图4 极化隔离的求解设置

2.1.3极化隔离仿真结果

建好模型及求解设置，运行仿真。右键点击Project Manager>HFSS Design >Result，选择Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，如图5所示选择相应的S参数。注，由于我们提前指定了Rx/Tx，此处仅有一个S参数结果可选。

图5 创建S参数结果 得到结果如图6所示。该仿真得到了相同参数的天线在不同极化方式下的隔离度。其中当天线1和2均为垂直极化时，隔离度最差；当天线1为垂直极化、天线2分别为左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)时，隔离度介于前两者之间且曲线重合。

图6 极化隔离仿真结果

2.2方位隔离示例

方位隔离可以简单的理解为方向、位置及其组合对隔离的影响。这里我们考虑2种场景，场景1考虑辐射方向的影响：受干扰的接收天线和产生干扰的发射天线，两者位置固定不变，而发射天线的主波束在平面上的-45°到+45°区间扫描，如图7所示；场景2考虑相对位置的影响：接收天线固定不变，仅改变发射天线的相对位置，如图8所示。注：两种场景采用的天线种类将有所不同，也特地选择了不同的天线建模方法。

图7 场景1：方向隔离

图8 场景2：位置隔离

2.2.1天线建模

2.2.1.1场景1天线模型

首先为接收天线和发射天线建立相对坐标系，如下所示：

图9 场景1相对坐标系 è创建接收天线 采用单极子天线，工作频率1.56GHz，利用“wire Monopole”方法实现，右键点击Project Manager>HFSS Design >Excitation，选择Create Antenna Component>Wire Monopole，并在弹出的窗口中如图10设置。注：此时将RX_CS坐标系设置为当前工作的坐标系。

 

图10 接收天线创建方法及参数设置 è创建发射天线 采用自定义波束天线，利用“Parametric Beam”方法实现，右键点击Project Manager>HFSS Design >Excitation，选择Create Antenna Component>Parametric Beam，如图11所示。注：此时将TX_CS坐标系设置为当前工作的坐标系。为了仿真发射天线朝向不同方位辐射的情况，将该天线沿Z轴旋转，旋转的角度设定为变量rotate_Tx：-45°~+45°，step=15°。 为了减少计算量，我们可以指定wire Monopole天线为RX天线、Parametric Beam天线为Tx天线。方法为，右键点击Project Manager>HFSS Design >Excitation，选择Select Tx/Rx并相应的指定即可。

 

图11 发射天线创建方法及参数设置

2.2.1.2场景2天线模型

首先为接收天线和发射天线建立相对坐标系，其中发射天线的x坐标设置为变量Lx（-4m,2m,stpe=1m），以便后续仿真不同位置变化对隔离度的影响。如下所示：

 

图12 场景2相对坐标系 è创建接收天线 采用单极子天线，工作频率0.5GHz，利用“wire Monopole”方法，实现方式如同4.1.1节的接收天线建模。 è创建发射天线 采用GPS天线，工作频率1.56GHz，利用Antenna Tool kit方法。具体如下： 首先，在主菜单View>ACT Extensions>Launch Wizards>HFSS Antenna Tool kit>Antenna Type>Custom>GPS Ceramic Patch，点击finish后界面会自动生成一个新的GPS天线的Project，如图13、14所示。 为了减少计算量，我们可以指定wire Monopole天线为RX天线、GPS天线为Tx天线。方法为，右键点击Project Manager>HFSS Design >Excitation，选择Select Tx/Rx并相应的指定即可。

 

 

图13 Antenna Tool kit创建GPS天线

图14 自动创建的名称为“GPS_patch_ceramic_ATK1”的Project 我们如何将这个GPS天线导入到场景中呢？ 1）可以将该模型创建为3D Component 2）也可以选择Link to Source Design 3）再或者导入该天线3D远场辐射结果，以作为激励源。 这里我们介绍第3种方法，即利用“Excitation→By File”的方法导入GPS天线远场数据，具体方法如下： （1）.ffd数据导出 首先在自动创建的“ GPS_patch_ceramic_ATK1”Project中，双击Analysis下的ATK_Solution，在Advanced选项卡下的Far Filed Observation Domain选中3D。注意必须选择3D，我们才能将GPS天线的3维辐射场导出。如图15所示。

图15 求解设置-Far Filed Observation Domain 随后对ATK_Solution下的SParam_Sweep进行扫频设置，将插值Interpolating改为离散Discrete，扫频范围设置在1.5GHz~1.65GHz，扫描点100个，如图16所示。

图16  SParam_Sweep扫频设置 运行仿真，仿真完成后，在Radiation下方右键点击“3D”并选择Compute Antenna Parameters，弹出窗口的设置如图17所示，然后选择Export Fields导出并保存.ffd文件。

 

图17  远场数据.ffd文件导出 （2）.ffd数据导入 回到场景2的Project Manager中，首先将当前工作坐标系设定为TX_CS，然后右键点击Excitation，选择Create Antenna Component>By file，弹出窗口中选择External…，并找到上一步导出的.ffd文件。如图18所示。

 

图18 .ffd文件导入

2.2.2求解设置

2.2.2.1场景1求解设置

Solution setup设置如下图所示，由于我们重点关注隔离度情况，因此为了减少计算量从而缩短仿真时间，此处我们不勾选Compute Fields，如图19所示。

图19 场景1方向隔离的求解设置

2.2.2.2场景2求解设置

同样，为了减少计算量从而缩短仿真时间，此处我们不勾选Compute Fields，如图20所示。

图20 场景2位置隔离的求解设置

2.2.3方位隔离仿真结果

2.2.3.1场景1方向隔离的仿真结果

右键点击Project Manager>HFSS Design >Result，选择Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，得到如图21所示的S参数结果。结果显示，当roatat_Tx=0°时，即发射天线主波束沿+X方向时，隔离度最差，roatat_Tx=45°时，即发射天线主波束与+X轴夹角45°时，隔离度最好。

图21 场景1方向隔离仿真结果

2.2.3.2场景2位置隔离的仿真结果

右键点击Project Manager>HFSS Design >Result，选择Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，得到如图22所示的S参数结果。结果显示，Lx=2m时，即发射天线离接收天线最近时，隔离度最差；整体而言当Lx=-2~-4m时，隔离度逐渐变好。

图22 场景2位置隔离仿真结果

3结论

首先必须强调的是，本案例考虑的场景或者因素相对单一，以上几种隔离场景在实际工程中，需要进行综合考虑。 本案例在HFSS SBR+求解类型下，利用了By file、Parametric Beam、Wire Monopole等方式创建了天线模型，这些方式可供不同的工程实际而选择。可以看到，针对电大载体平台的极化隔离、方位隔离等电磁兼容问题，利用HFSS SBR+对进行仿真是一种很好的手段，可以帮助我们有效地预测平台级电磁兼容问题，并为问题的解决提供解决思路与预先验证。

审核编辑 ：李倩