相信研究人員都知道，天線間的隔離度可以很直觀地評(píng)估平臺(tái)上不同天線間相互影響的情況，在諸如車載、機(jī)載和艦載等電大平臺(tái)的電磁兼容性指標(biāo)中，天線間隔離度是非常重要的參數(shù)。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，HFSS以其無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)上天線間的隔離情況，同時(shí)也將展示HFSS中創(chuàng)建天線的不同方法，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，除極化方式外，其他參數(shù)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(shí)，指定天線1為被干擾的天線（接收天線），天線2為產(chǎn)生干擾的天線（發(fā)射天線）。
圖1 天線在平臺(tái)上的布局
1.1.1、天線建模
天線1和天線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(gè)不同的HFSS Design中依次選為Vertical、Horizontal、LHCP、RHCP。由于兩副天線之間相互均可以發(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2對(duì)天線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1為接收天線、天線2為發(fā)射天線。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)的天線在不同極化方式下的隔離度。其中當(dāng)天線1和2均為垂直極化時(shí)，隔離度最差；當(dāng)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(shí)，隔離度介于前兩者之間且曲線重合。
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：受干擾的接收天線和產(chǎn)生干擾的發(fā)射天線，兩者位置固定不變，而發(fā)射天線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：接收天線固定不變，僅改變發(fā)射天線的相對(duì)位置，如圖8所示。注：兩種場(chǎng)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(chǎng)景1：方向隔離
圖8 場(chǎng)景2：位置隔離
1.2.1天線建模
1.2.1.1場(chǎng)景1天線模型
首先為接收天線和發(fā)射天線建立相對(duì)坐標(biāo)系，如下所示：
圖9 場(chǎng)景1
相對(duì)坐標(biāo)系創(chuàng)建接收天線采用單極子天線，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 接收天線創(chuàng)建方法及參數(shù)設(shè)置
創(chuàng)建發(fā)射天線采用自定義波束天線，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)射天線朝向不同方位輻射的情況，將該天線沿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天線為RX天線、Parametric Beam天線為Tx天線。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)射天線創(chuàng)建方法及參數(shù)設(shè)置
1.2.1.2場(chǎng)景2天線模型
首先為接收天線和發(fā)射天線建立相對(duì)坐標(biāo)系，其中發(fā)射天線的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)建接收天線采用單極子天線，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)的接收天線建模。創(chuàng)建發(fā)射天線采用GPS天線，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天線為RX天線、GPS天線為Tx天線。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
圖14 自動(dòng)創(chuàng)建的名稱為“GPS_patch_ceramic_ATK1”的Project
我們?nèi)绾螌⑦@個(gè)GPS天線導(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”Project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TX_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)射天線離接收天線最近時(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+求解類型下，利用了By file、Parametric Beam、Wire Monopole等方式創(chuàng)建了天線模型，這些方式可供不同的工程實(shí)際而選擇?？梢钥吹?，針對(duì)極化隔離、方位隔離等電磁兼容問題，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)電磁兼容問題，并為問題的解決提供解決思路與預(yù)先驗(yàn)證。
