相信研究人員都知道，天線(xiàn)間的隔離度可以很直觀(guān)地評(píng)估平臺(tái)上不同天線(xiàn)間相互影響的情況，在諸如車(chē)載、機(jī)載和艦載等電大平臺(tái)的電磁兼容性指標(biāo)中，天線(xiàn)間隔離度是非常重要的參數(shù)。經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，HFSS以其無(wú)以倫比的仿真精度和可靠性以及快捷的仿真速度廣受天線(xiàn)研究人員的好評(píng)，利用HFSS SBR+求解器仿真機(jī)載平臺(tái)上多幅天線(xiàn)之間的隔離度。今天我們將基于ANSYS Electronics 2021 R2，演示如何利用HFSS評(píng)估機(jī)載平臺(tái)上天線(xiàn)間的隔離情況，同時(shí)也將展示HFSS中創(chuàng)建天線(xiàn)的不同方法，這些方法可以覆蓋多種工程應(yīng)用場(chǎng)景。
1、機(jī)載平臺(tái)模型
1.1、極化隔離示例
平臺(tái)上的通信系統(tǒng)不得不考慮極化隔離，即干擾源與干擾對(duì)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(xiàn)，除極化方式外，其他參數(shù)相同，天線(xiàn)安裝位置如圖1所示，假定比較糟糕的一種情況：兩副天線(xiàn)主波束相向輻射。同時(shí)，指定天線(xiàn)1為被干擾的天線(xiàn)（接收天線(xiàn)），天線(xiàn)2為產(chǎn)生干擾的天線(xiàn)（發(fā)射天線(xiàn)）。
圖1 天線(xiàn)在平臺(tái)上的布局
1.1.1、天線(xiàn)建模
天線(xiàn)1和天線(xiàn)2均采用Parametric Beam方法創(chuàng)建，右鍵點(diǎn)擊Project Manager>HFSS Design >Excitation，選擇Create Antenna Component>Parametric Beam，如圖2所示。
圖2 Parametric Beam快速創(chuàng)建天線(xiàn)模型
其中天線(xiàn)1極化方式選擇Vertical固定不變，天線(xiàn)2的極化方式在4個(gè)不同的HFSS Design中依次選為Vertical、Horizontal、LHCP、RHCP。由于兩副天線(xiàn)之間相互均可以發(fā)射或者接收，從S參數(shù)角度可以看作是2端口網(wǎng)絡(luò)，由于我們此處只考慮天線(xiàn)2對(duì)天線(xiàn)1的影響，即只考慮S12。為了減少計(jì)算量，我們可以指定天線(xiàn)1為接收天線(xiàn)、天線(xiàn)2為發(fā)射天線(xiàn)。方法為，右鍵點(diǎn)擊Project Manager>HFSS Design >Excitation，選擇Select Tx/Rx，彈出窗口設(shè)置如圖3所示。
圖3 收發(fā)天線(xiàn)設(shè)置
1.1.2、求解設(shè)置
Solution setup設(shè)置如下圖所示，由于我們重點(diǎn)關(guān)注隔離度情況，因此為了減少計(jì)算量從而縮短仿真時(shí)間，此處我們不勾選Compute Fields，如圖4所示。
圖4 極化隔離的求解設(shè)置
1.1.3、極化隔離仿真結(jié)果
建好模型及求解設(shè)置，運(yùn)行仿真。右鍵點(diǎn)擊Project Manager>HFSS Design >Result，選擇Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，如圖5所示選擇相應(yīng)的S參數(shù)。注，由于我們提前指定了Rx/Tx，此處僅有一個(gè)S參數(shù)結(jié)果可選。 圖5 創(chuàng)建S參數(shù)結(jié)果
得到結(jié)果如圖6所示。該仿真得到了相同參數(shù)的天線(xiàn)在不同極化方式下的隔離度。其中當(dāng)天線(xiàn)1和2均為垂直極化時(shí)，隔離度最差；當(dāng)天線(xiàn)1為垂直極化、天線(xiàn)2分別為左旋圓極化(LHCP)和右旋圓極化(RHCP)時(shí)，隔離度介于前兩者之間且曲線(xiàn)重合。
圖6 極化隔離仿真結(jié)果
1.2、方位隔離示例
方位隔離可以簡(jiǎn)單的理解為方向、位置及其組合對(duì)隔離的影響。這里我們考慮2種場(chǎng)景，場(chǎng)景1考慮輻射方向的影響：受干擾的接收天線(xiàn)和產(chǎn)生干擾的發(fā)射天線(xiàn)，兩者位置固定不變，而發(fā)射天線(xiàn)的主波束在平面上的-45°到+45°區(qū)間掃描，如圖7所示；場(chǎng)景2考慮相對(duì)位置的影響：接收天線(xiàn)固定不變，僅改變發(fā)射天線(xiàn)的相對(duì)位置，如圖8所示。注：兩種場(chǎng)景采用的天線(xiàn)種類(lèi)將有所不同，也特地選擇了不同的天線(xiàn)建模方法。
圖7 場(chǎng)景1：方向隔離
圖8 場(chǎng)景2：位置隔離
1.2.1天線(xiàn)建模
1.2.1.1場(chǎng)景1天線(xiàn)模型
首先為接收天線(xiàn)和發(fā)射天線(xiàn)建立相對(duì)坐標(biāo)系，如下所示：
圖9 場(chǎng)景1
相對(duì)坐標(biāo)系創(chuàng)建接收天線(xiàn)采用單極子天線(xiàn)，工作頻率1.56GHz，利用“wire Monopole”方法實(shí)現(xiàn)，右鍵點(diǎn)擊Project Manager>HFSS Design >Excitation，選擇Create Antenna Component>Wire Monopole，并在彈出的窗口中如圖10設(shè)置。注：此時(shí)將RX_CS坐標(biāo)系設(shè)置為當(dāng)前工作的坐標(biāo)系。
圖10 接收天線(xiàn)創(chuàng)建方法及參數(shù)設(shè)置
創(chuàng)建發(fā)射天線(xiàn)采用自定義波束天線(xiàn)，利用“Parametric Beam”方法實(shí)現(xiàn)，右鍵點(diǎn)擊Project Manager>HFSS Design >Excitation，選擇Create Antenna Component>Parametric Beam，如圖11所示。注：此時(shí)將TX_CS坐標(biāo)系設(shè)置為當(dāng)前工作的坐標(biāo)系。為了仿真發(fā)射天線(xiàn)朝向不同方位輻射的情況，將該天線(xiàn)沿Z軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度設(shè)定為變量rotate_Tx：-45°~+45°，step=15°。為了減少計(jì)算量，我們可以指定wire Monopole天線(xiàn)為RX天線(xiàn)、Parametric Beam天線(xiàn)為T(mén)x天線(xiàn)。方法為，右鍵點(diǎn)擊Project Manager>HFSS Design >Excitation，選擇Select Tx/Rx并相應(yīng)的指定即可。
圖11 發(fā)射天線(xiàn)創(chuàng)建方法及參數(shù)設(shè)置
1.2.1.2場(chǎng)景2天線(xiàn)模型
首先為接收天線(xiàn)和發(fā)射天線(xiàn)建立相對(duì)坐標(biāo)系，其中發(fā)射天線(xiàn)的x坐標(biāo)設(shè)置為變量Lx（-4m,2m,stpe=1m），以便后續(xù)仿真不同位置變化對(duì)隔離度的影響。如下所示：
圖12 場(chǎng)景2
相對(duì)坐標(biāo)系創(chuàng)建接收天線(xiàn)采用單極子天線(xiàn)，工作頻率0.5GHz，利用“wire Monopole”方法，實(shí)現(xiàn)方式如同4.1.1節(jié)的接收天線(xiàn)建模。創(chuàng)建發(fā)射天線(xiàn)采用GPS天線(xiàn)，工作頻率1.56GHz，利用Antenna Tool kit方法。具體如下：首先，在主菜單View>ACT Extensions>Launch Wizards>HFSS Antenna Tool kit>Antenna Type>Custom>GPS Ceramic Patch，點(diǎn)擊finish后界面會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)新的GPS天線(xiàn)的Project，如圖13、14所示。為了減少計(jì)算量，我們可以指定wire Monopole天線(xiàn)為RX天線(xiàn)、GPS天線(xiàn)為T(mén)x天線(xiàn)。方法為，右鍵點(diǎn)擊Project Manager>HFSS Design >Excitation，選擇Select Tx/Rx并相應(yīng)的指定即可。
圖13 Antenna Tool kit創(chuàng)建GPS天線(xiàn)
圖14 自動(dòng)創(chuàng)建的名稱(chēng)為“GPS_patch_ceramic_ATK1”的Project
我們?nèi)绾螌⑦@個(gè)GPS天線(xiàn)導(dǎo)入到場(chǎng)景中呢？1）可以將該模型創(chuàng)建為3D Component2）也可以選擇Link to Source Design3）再或者導(dǎo)入該天線(xiàn)3D遠(yuǎn)場(chǎng)輻射結(jié)果，以作為激勵(lì)源。這里我們介紹第3種方法，即利用“Excitation→By File”的方法導(dǎo)入GPS天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，具體方法如下：（1）.ffd數(shù)據(jù)導(dǎo)出首先在自動(dòng)創(chuàng)建的“ GPS_patch_ceramic_ATK1”P(pán)roject中，雙擊Analysis下的ATK_Solution，在Advanced選項(xiàng)卡下的Far Filed Observation Domain選中3D。注意必須選擇3D，我們才能將GPS天線(xiàn)的3維輻射場(chǎng)導(dǎo)出。如圖15所示。
圖15 求解設(shè)置
-Far Filed Observation Domain隨后對(duì)ATK_Solution下的SParam_Sweep進(jìn)行掃頻設(shè)置，將插值Interpolating改為離散Discrete，掃頻范圍設(shè)置在1.5GHz~1.65GHz，掃描點(diǎn)100個(gè)，如圖16所示。
圖16 SParam_Sweep
掃頻設(shè)置運(yùn)行仿真，仿真完成后，在Radiation下方右鍵點(diǎn)擊“3D”并選擇Compute Antenna Parameters，彈出窗口的設(shè)置如圖17所示，然后選擇Export Fields導(dǎo)出并保存.ffd文件。
圖17 遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)
.ffd文件導(dǎo)出（2）.ffd數(shù)據(jù)導(dǎo)入回到場(chǎng)景2的Project Manager中，首先將當(dāng)前工作坐標(biāo)系設(shè)定為T(mén)X_CS，然后右鍵點(diǎn)擊Excitation，選擇Create Antenna Component>By file，彈出窗口中選擇External…，并找到上一步導(dǎo)出的.ffd文件。如圖18所示。
圖18 .ffd文件導(dǎo)入
1.2.2求解設(shè)置
1.2.2.1場(chǎng)景1求解設(shè)置
Solution setup設(shè)置如下圖所示，由于我們重點(diǎn)關(guān)注隔離度情況，因此為了減少計(jì)算量從而縮短仿真時(shí)間，此處我們不勾選Compute Fields，如圖19所示。
圖19 場(chǎng)景1方向隔離的求解設(shè)置
1.2.2.2場(chǎng)景2求解設(shè)置
同樣，為了減少計(jì)算量從而縮短仿真時(shí)間，此處我們不勾選Compute Fields，如圖20所示。
圖20 場(chǎng)景2位置隔離的求解設(shè)置
1.2.3方位隔離仿真結(jié)果
1.2.3.1場(chǎng)景1方向隔離的仿真結(jié)果
右鍵點(diǎn)擊Project Manager>HFSS Design >Result，選擇Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，得到如圖21所示的S參數(shù)結(jié)果。結(jié)果顯示，當(dāng)roatat_Tx=0°時(shí)，即發(fā)射天線(xiàn)主波束沿+X方向時(shí)，隔離度最差，roatat_Tx=45°時(shí)，即發(fā)射天線(xiàn)主波束與+X軸夾角45°時(shí)，隔離度最好。
圖21 場(chǎng)景1方向隔離仿真結(jié)果
1.2.3.2場(chǎng)景2位置隔離的仿真結(jié)果
右鍵點(diǎn)擊Project Manager>HFSS Design >Result，選擇Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，得到如圖22所示的S參數(shù)結(jié)果。結(jié)果顯示，Lx=2m時(shí)，即發(fā)射天線(xiàn)離接收天線(xiàn)最近時(shí)，隔離度最差；整體而言當(dāng)Lx=-2~-4m時(shí)，隔離度逐漸變好。
圖22 場(chǎng)景2位置隔離仿真結(jié)果
2、結(jié)論
首先必須強(qiáng)調(diào)的是，本案例考慮的場(chǎng)景或者因素相對(duì)單一，以上幾種隔離場(chǎng)景在實(shí)際工程中，需要進(jìn)行綜合考慮。本案例在HFSS SBR+求解類(lèi)型下，利用了By file、Parametric Beam、Wire Monopole等方式創(chuàng)建了天線(xiàn)模型，這些方式可供不同的工程實(shí)際而選擇。可以看到，針對(duì)極化隔離、方位隔離等電磁兼容問(wèn)題，利用HFSS SBR+對(duì)進(jìn)行仿真是一種很好的手段，可以幫助我們有效地預(yù)測(cè)平臺(tái)級(jí)電磁兼容問(wèn)題，并為問(wèn)題的解決提供解決思路與預(yù)先驗(yàn)證。
