毫米波圆极化平行平板天线仿真应用案例
01 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）。
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。
02 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，��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。
03 HFSS仿真结果
3.1 辐射电场矢量图
在平行平板天线上方中心处，做一个5mm X 5mm的平面（XOY面），观察相位为0deg，90deg，180deg，270deg的电场矢量图。可以看到，辐射电场的方向随着相位呈现周期化旋转的特征，说明天线是圆极化天线。
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3.2 TEM模和TE1模电场云图
在平行平板天线的纵向中心切面（YOZ面），绘制TEM模（）和TE1模（）的电场云图。
首先在场计算器中，计算得到（Real(ScalarX(<Ex,Ey,Ez>)）和（Real(ScalarY(<Ex,Ey,Ez>)）。
TEM模的电场云图：
TE1模的电场云图：
观察上述两个模态的电场云图，可知在平行平板的辐射口面上，两个模态电场的相位差在90度附近，符合本文前述的分析内容。
3.3 S参数
观察天线的端口S参数曲线，可以找到两个模态的频率分别在25.24GHz和27.28GHz附近。10dB阻抗带宽从24.72GHz至27.84GHz。
3.4 轴比和天线的实际增益
在ANSYS HFSS中观察远场数据，需要先在Radiation中Insert Far Field Setup，这里设置在YOZ平面（Phi=90度，Theta从-180度到180度，间隔1度）上观察远场的轴比和实际增益。
观察天线的轴比，3dB轴比带宽从23.80GHz至29.38GHz。
观察天线的实际增益，最大实际增益为8.1505dB位于25.08GHz。3dB实际增益带宽从23.88GHz至29.72GHz。
综上，天线的有效工作频带宽度可以覆盖从24.72GHz至27.84GHz。
3.5 远场方向图
分别在24.4GHz、26GHz、28.8GHz，两个观察平面（XOZ平面和YOZ平面）绘制天线的左旋极化（LHCP）增益和右旋极化（RHCP）增益。
上述方向图曲线，表明本文论述的圆极化平行平板天线在工作频带内是左旋极化的。
3.6 天线优化
在平行平板天线的纵向中心切面（XOZ面），绘制电场云图，观察可以发现天线的辐射电场的波前面更加近似于一个圆柱面。因此可以将极化器和天线部分中的矩形平行平板优化成两个半圆平行平板。这里半圆的半径值
，其他设置均不改变，重复上述仿真过程。
3.7 半圆平行平板天线的S参数
观察天线的端口S参数曲线，可以找到两个模态的频率分别在25.44GHz和27.20GHz附近。10dB阻抗带宽从24.80GHz至27.90GHz。
3.8 半圆平行平板天线的轴比和天线的实际增益
观察天线的轴比，3dB轴比带宽从23.12GHz至29.00GHz。
观察天线的实际增益，最大实际增益为7.4655dB位于27.72GHz。3dB实际增益带宽从24.08GHz至29.64GHz。
综上，天线的有效工作频带宽度可以覆盖从24.80GHz至27.90GHz。
3.9 远场方向图
分别在24.4GHz、26GHz、28.8GHz，两个观察平面（XOZ平面和YOZ平面）绘制天线的左旋极化（LHCP）增益和右旋极化（RHCP）增益。
上述方向图曲线，表明本文论述的圆极化平行平板天线在工作频带内是左旋极化的。
04 投入资源与时间
矩形平行平板天线和半圆形平行平板天线的仿真时间和内存需求分别如下图所示。天线规模较小，仿真工作可以在普通的移动工作站上顺利完成。
05 结论
基于ANSYS HFSS仿真分析一种新型的毫米波圆极化宽波束平行平板天线。不同于传统的线极化平行平板天线，这种新型天线基于其支持的TEM模和TE模电磁波传播速度的不同，实现了圆极化。
详细论述了这种新型天线的设计思路、参数的选取方法。在此基础上，应用ANSYS HFSS软件完成了上述天线的仿真验证工作。应用HFSS软件内置的Wavelength Calculator计算电磁波的波长，从而合理地确定了仿真区域的大小。
应用HFSS软件内置的场计算器和场分布图绘制功能，绘制出极化器和天线中TEM模（Ex）和TE1模（Ey）的电场云图，验证了平行平板天线的圆极化方法的正确性。
应用HFSS软件内置的S参数、轴比（Axial Ratio）、实际增益（Realized Gain）后处理功能，确定了天线的工作带宽。
应用HFSS软件内置的远场左旋极化增益（GainLHCP）和右旋极化增益（GainRHCP）后处理功能，绘制远场增益方向图，进一步确定了在天线工作宽带内天线的圆极化特性。
最后，通过观察极化器和天线纵向中心切面（XOZ面）的电场云图，将矩形平行平板天线的几何结构优化成半圆形平行平板天线。
