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

2機載平臺模型

機載平臺模型與此前推文案例《HFSS電大平臺天線布局仿真之實裝天線性能評估》相同。

2.1極化隔離示例

平臺上的通信系統不得不考慮極化隔離，即干擾源與干擾對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，指定天線1為被干擾的天線（接收天線），天線2為產生干擾的天線（發射天線）。

圖1天線在平臺上的布局

2.1.1天線建模

天線1和天線2均采用ParametricBeam方法創建，右鍵點擊ProjectManager>HFSSDesign>Excitation，選擇CreateAntennaComponent>ParametricBeam，如圖2所示。

圖2ParametricBeam快速創建天線模型 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射或者接收，從S參數角度可以看作是2端口網絡，由于我們此處只考慮天線2對天線1的影響，即只考慮S12。為了減少計算量，我們可以指定天線1為接收天線、天線2為發射天線。方法為，右鍵點擊ProjectManager>HFSSDesign>Excitation，選擇SelectTx/Rx，彈出窗口設置如圖3所示。

圖3收發天線設置

2.1.2求解設置

Solutionsetup設置如下圖所示，由于我們重點關注隔離度情況，因此為了減少計算量從而縮短仿真時間，此處我們不勾選ComputeFields，如圖4所示。

圖4極化隔離的求解設置

2.1.3極化隔離仿真結果

建好模型及求解設置，運行仿真。右鍵點擊ProjectManager>HFSSDesign>Result，選擇Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，如圖5所示選擇相應的S參數。注，由于我們提前指定了Rx/Tx，此處僅有一個S參數結果可選。

圖5創建S參數結果 得到結果如圖6所示。該仿真得到了相同參數的天線在不同極化方式下的隔離度。其中當天線1和2均為垂直極化時，隔離度最差；當天線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，隔離度介于前兩者之間且曲線重合。

圖6極化隔離仿真結果

2.2方位隔離示例

方位隔離可以簡單的理解為方向、位置及其組合對隔離的影響。這里我們考慮2種場景，場景1考慮輻射方向的影響：受干擾的接收天線和產生干擾的發射天線，兩者位置固定不變，而發射天線的主波束在平面上的-45°到+45°區間掃描，如圖7所示；場景2考慮相對位置的影響：接收天線固定不變，僅改變發射天線的相對位置，如圖8所示。注：兩種場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場景1：方向隔離

圖8場景2：位置隔離

2.2.1天線建模

2.2.1.1場景1天線模型

首先為接收天線和發射天線建立相對坐標系，如下所示：

圖9場景1相對坐標系 è創建接收天線 采用單極子天線，工作頻率1.56GHz，利用“wireMonopole”方法實現，右鍵點擊ProjectManager>HFSSDesign>Excitation，選擇CreateAntennaComponent>Wire Monopole，并在彈出的窗口中如圖10設置。注：此時將RX_CS坐標系設置為當前工作的坐標系。

圖10接收天線創建方法及參數設置 è創建發射天線 采用自定義波束天線，利用“ParametricBeam”方法實現，右鍵點擊ProjectManager>HFSSDesign>Excitation，選擇CreateAntennaComponent>ParametricBeam，如圖11所示。注：此時將TX_CS坐標系設置為當前工作的坐標系。為了仿真發射天線朝向不同方位輻射的情況，將該天線沿Z軸旋轉，旋轉的角度設定為變量rotate_Tx：-45°~+45°，step=15°。 為了減少計算量，我們可以指定wireMonopole天線為RX天線、ParametricBeam天線為Tx天線。方法為，右鍵點擊ProjectManager>HFSSDesign>Excitation，選擇SelectTx/Rx并相應的指定即可。

圖11發射天線創建方法及參數設置

2.2.1.2場景2天線模型

首先為接收天線和發射天線建立相對坐標系，其中發射天線的x坐標設置為變量Lx（-4m,2m,stpe=1m），以便后續仿真不同位置變化對隔離度的影響。如下所示：

圖12場景2相對坐標系 è創建接收天線 采用單極子天線，工作頻率0.5GHz，利用“wireMonopole”方法，實現方式如同4.1.1節的接收天線建模。 è創建發射天線 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，點擊finish后界面會自動生成一個新的GPS天線的Project，如圖13、14所示。 為了減少計算量，我們可以指定wireMonopole天線為RX天線、GPS天線為Tx天線。方法為，右鍵點擊ProjectManager>HFSSDesign>Excitation，選擇SelectTx/Rx并相應的指定即可。

圖13AntennaToolkit創建GPS天線

圖14自動創建的名稱為“GPS_patch_ceramic_ATK1”的Project 我們如何將這個GPS天線導入到場景中呢？ 1）可以將該模型創建為3DComponent 2）也可以選擇LinktoSourceDesign 3）再或者導入該天線3D遠場輻射結果，以作為激勵源。 這里我們介紹第3種方法，即利用“Excitation→ByFile”的方法導入GPS天線遠場數據，具體方法如下： （1）.ffd數據導出 首先在自動創建的“GPS_patch_ceramic_ATK1”Project中，雙擊Analysis下的ATK_Solution，在Advanced選項卡下的FarFiledObservationDomain選中3D。注意必須選擇3D，我們才能將GPS天線的3維輻射場導出。如圖15所示。

圖15求解設置-FarFiledObservationDomain 隨后對ATK_Solution下的SParam_Sweep進行掃頻設置，將插值Interpolating改為離散Discrete，掃頻范圍設置在1.5GHz~1.65GHz，掃描點100個，如圖16所示。

圖16SParam_Sweep掃頻設置 運行仿真，仿真完成后，在Radiation下方右鍵點擊“3D”并選擇ComputeAntennaParameters，彈出窗口的設置如圖17所示，然后選擇ExportFields導出并保存.ffd文件。

圖17遠場數據.ffd文件導出 （2）.ffd數據導入 回到場景2的ProjectManager中，首先將當前工作坐標系設定為TX_CS，然后右鍵點擊Excitation，選擇CreateAntennaComponent>Byfile，彈出窗口中選擇External…，并找到上一步導出的.ffd文件。如圖18所示。

圖18 .ffd文件導入

2.2.2求解設置

2.2.2.1場景1求解設置

Solutionsetup設置如下圖所示，由于我們重點關注隔離度情況，因此為了減少計算量從而縮短仿真時間，此處我們不勾選ComputeFields，如圖19所示。

圖19場景1方向隔離的求解設置

2.2.2.2場景2求解設置

同樣，為了減少計算量從而縮短仿真時間，此處我們不勾選ComputeFields，如圖20所示。

圖20場景2位置隔離的求解設置

2.2.3方位隔離仿真結果

2.2.3.1場景1方向隔離的仿真結果

右鍵點擊ProjectManager>HFSSDesign>Result，選擇Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，得到如圖21所示的S參數結果。結果顯示，當roatat_Tx=0°時，即發射天線主波束沿+X方向時，隔離度最差，roatat_Tx=45°時，即發射天線主波束與+X軸夾角45°時，隔離度最好。

圖21場景1方向隔離仿真結果

2.2.3.2場景2位置隔離的仿真結果

右鍵點擊ProjectManager>HFSSDesign>Result，選擇Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，得到如圖22所示的S參數結果。結果顯示，Lx=2m時，即發射天線離接收天線最近時，隔離度最差；整體而言當Lx=-2~-4m時，隔離度逐漸變好。

圖22場景2位置隔離仿真結果

3結論

首先必須強調的是，本案例考慮的場景或者因素相對單一，以上幾種隔離場景在實際工程中，需要進行綜合考慮。 本案例在HFSS SBR+求解類型下，利用了Byfile、ParametricBeam、WireMonopole等方式創建了天線模型，這些方式可供不同的工程實際而選擇。可以看到，針對電大載體平臺的極化隔離、方位隔離等電磁兼容問題，利用HFSS SBR+對進行仿真是一種很好的手段，可以幫助我們有效地預測平臺級電磁兼容問題，并為問題的解決提供解決思路與預先驗證。

審核編輯 ：李倩