毫米波圆极化平行平板天线仿真应用案例

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摘要

本文基于ANSYS HFSS软件仿真分析一种新型的毫米波圆极化宽波束平行平板天线。传统的平行平板天线应用两个相距大约半个波长的金属平行平板，构成一个波导结构支持TE波的辐射。文献Kai Lu and Kwok Wa Leung, “On the Circularly Polarized Parallel-Plate Antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 68, no. 1, pp. 3-12 Jan. 2020.中指出如果对上述平行平板结构施加一个不与平板平行的电流激励，那么这种结构也支持TEM波。由于TE波的相速度高于TEM波的相速度，当平行平板的高度恰好使得TE波的相位和TEM波的相位相差90度的时候，传统的线性极化平行平板天线就可以转化成圆极化天线。

新型平行平板天线结构的三维视图、顶视图和主视图如图所示。这种天线在结构上可以分成两个部分，上部是由两块平行平板和连接平板的基板构成的极化器和天线，下部是由波导和馈电线缆构成的馈电部分，两个部分之间由一个斜向开孔的槽相互连接。这种结构的好处是天线的主要辐射部分和馈电部分相对独立。

本文详细叙述了新型圆极化平行平板天线的设计思路，通过仿真验证天线设计思路的正确性（极化器中TE波和TEM波的电场云图）、圆极化特性（平极化器顶部的电场的矢量图）、阻抗匹配特性和方向图（远场的左旋极化增益和右旋极化增益）。

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极化器和天线部分的设计任务主要是确定平行平板的间距和平行平板的高度。馈电部分的主要设计任务是确定馈电波导的结构参数、馈电探针的位置和馈电线缆的尺寸。以及连接极化器和馈电波导之间斜向开孔槽的几何参数。本文应用理论推导的方法计得出选型方案，并应用ANSYS HFSS仿真分析，确定参数选择的正确性。在本文的最后对天线进行优化，用半圆平板替代了矩形平板。

HFSS仿真流程

2.1 平行平板天线的圆极化原理

上图是圆极化平行平板天线极化器的示意图，平板间距d，考虑TEM模和TE₁模。TEM模的电场分量是Ex，TE₁模的电场分量是Ey。假设平行平板是无限长的，可以计算出TEM模和TE₁的相位常数如下：

选取合适的平板高度h1可以使得：

这里选取n=1。基于上述分析可知：

其中d的取值下限接近TE₁模的截止频率，取值上限接近TE₂模的截止频率。为了最大化天线的带宽，本文平板间距d选取接近其上限。

2.2 参数选取

圆形极化天线的参数化示意图如下图所示。

基于上述分析，并考虑到毫米波天线的应用背景，本文设计的圆极化天线的工作频率设定在26GHz附近，因而选取d=10.0mm，h1=16.6mm，l1=2h1=33.3mm。

基于EIA标准（Electronic Industries Alliance）标准，馈电部分的波导尺寸选取为h3=4.32mm，l3=8.64mm。开孔槽的尺寸选择主要考虑要充分利用馈电波导的有效面积，这里选取a=36deg，h2=2.0mm，l2=6.3mm。

其他参数如下：w0=4.0mm，w1=6.0mm，w2=1.0mm，l4=12mm，d5=2.35mm，l5=2.5mm。

馈电电缆的介电常数（epsinr）、内导体半径（r）和外导体半径（R）的选取要满足基本的阻抗匹配原则（本文选取的端口阻抗是50ohm）：

为了尽量不破坏馈电波导的几何结构，本文选取馈电探针的半径尽量细小r=0/2mm，R和spsinr的取值满足上述的阻抗匹配原则即可。

2.3 建模

新建HFSS工程文件，求解类型选择模式驱动。（终端驱动通常用于包含多导体传输线端口的模型）。设置默认的长度单位为毫米。考虑到建模速度，在HFSS Design Setting里面勾选Enable material override。应用参数化建模的方法，在HFSS -> Design Properties 里面输入参数选取过程中，确定的模型参数。

首先，创建极化器和天线模型。在工具栏Default Material里选择材料copper。建立模型过程中，在模型Attribute选项卡中勾选Material Appearance，即不用再给copper材料属性模型的color选项赋值。创建完成后的模型如图所示。

然后创建馈电部分，Default Material里选择材料vacuum。创建馈电部分需要注意的是馈电探针部分需要选择材料参数为copper。由于馈电波导有一部分是嵌入到极化器背板之中的。馈电部分创建完成后，需要应用Boolean操作subtract将这一部分从极化器中减去（勾选Clone tool objects before operation）。创建完成后的模型如图所示。

最后创建用于设置包裹极化器和天线部分用于设置辐射边界条件的Air Box。ANSYS HFSS中，通常需要辐射边界距离天线至少四分之一波长。这里先应用 HFSS -> Toolkit -> Wavelength Calculator 计算波长11.5mm，这里选取Air Box在方向上，包裹极化器和天线部分且超出5mm。创建完成后的模型如图所示（其中包含用于后处理的非模型的两个几何面）。

2.4 激励和边界条件

由于ANSYS HFSS的默认边界条件是pec，因此不用对馈电线缆的外表面和馈电波导的外表面再设置边界条件。只需要在Air Box的外表面设置辐射边界条件。首先分别选取Air Box的底面、极化器和天线部分的底面，应用Create Object From Faces功能创建两个几何面，然后应用Boolean操作Subtract，得到辐射边界条件的底面，如图所示。

选取上述这个面和Air Box的其余5个面，设置为辐射边界条件。

上述Air Box仅仅包裹了极化器和天线部分，并未包裹馈电网络部分，因此馈电电缆的端口位于模型的“外部”，便于我们设置波端口激励。

选取馈电电缆的横截面，Assign Excitation -> Wave Port，并设置端口阻抗为50ohm。

2.5 求解设置

Solution Frequency设置为26GHz，Maximum Number of Passes设置为10，Maximum Delta S设置为0.001。频率扫描设置为Linear Step扫描，从22GHz到30GHz，Step Size 设为0.04GHz。由于模型规模较小，为了确保仿真精度和便于观察不同扫描频点的远场方向图，Sweep Type 选为Discrete。为了便于后处理中观察不同扫描频点的远场方向图，勾选3D Fields Save Options，Save radiated fields only。