HFSS应用案例之天线隔离度分析
发布时间：2022-10-11 16:55:42
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
相信研究人员都知道，天线间的隔离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。经过这么多年的发展，HFSS以其无以伦比的仿真精度和可靠性以及快捷的仿真速度广受天线研究人员的好评，利用HFSS SBR+求解器仿真机载平台上多幅天线之间的隔离度。今天我们将基于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。
1、机载平台模型
1.1、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
1.1.1、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
1.1.2、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
1.1.3、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
1.2、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
1.2.1天线建模
1.2.1.1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
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
1.2.1.2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。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 Component2）也可以选择Link to Source Design3）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
1.2.2求解设置
1.2.2.1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
1.2.2.2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
1.2.3方位隔离仿真结果
1.2.3.1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
1.2.3.2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
2、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。
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