基于ANSYS HFSS分析短接式貼片天線

2020/07/14
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文獻(Neng-Wu Liu, “Cross-Polarization Reduction of a Shorted Patch Antenna With Broadside Radiation Using a Pair of Open-Ended Stubs,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 68, no. 1, pp. 13-20 Jan. 2020.)指出傳統(tǒng)的短接式貼片天線在 TM1/2,2 模式下,其表面的電場分布大致如下圖所示:

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考慮其在 H 平面(YOZ 平面)上的遠場輻射特性,|Ephi|分量由 E2,E3 確定,|Etheta|分量由 E1 確定,在特定的尺寸下會出現(xiàn)|Etheta|過大而|Ephi|過小的情況,即交叉極化的現(xiàn)象。

為了降低上述的交叉極化現(xiàn)象,可以在貼片天線上增加一對如下圖所示的短截線,改變貼片天線的電流分布,用以削弱遠場的|Etheta|分量并增強電場的|Ephi|分量。

為了降低貼片天線的有效的輻射面積,可以將上述短截線進行了折彎處理。此時,改進后貼片天線 TM1/2,2 模式的工作頻點已經(jīng)與原貼片天線 TM1/2,0 模式的工作頻點較為接近,對比兩者的交叉極化現(xiàn)象,改進后的天線仍然具有明顯的優(yōu)勢。

本文基于 ANSYS HFSS 軟件仿真分析了一種上述的短接式貼片天線,計算天線的工作頻點、貼片表面電流分布,遠場輻射方向圖,驗證了文獻中的結(jié)論。

02
HFSS 仿真流程和結(jié)果

2.1 ? ? ? ? ?短接式貼片天線

本文仿真的短接式貼片天線如上圖所示,其中基片材質(zhì)為 F4B,不考慮 Patch 和 Ground 的厚度,設為 PEC 邊界,基片和 Ground 的面積為 150mm x 150 mm,基片厚度 3mm,Patch 面積為 40mm x 26 mm,饋電點距離 Patch 的邊界(x 方向)為 20.5 mm,Patch 一端通過短接引腳接地。根據(jù)天線尺寸,預算 TM1/2,2 模式的工作波長約為 40mm,即工作頻點大約在 7.5GHz 左右,掃頻計算得到其工作頻點為 7.75GHz。

在工作頻點下仿真計算貼片天線的表面電流分布和 YOZ 平面的遠場方向圖(GainPhi 和 GainTheta)。電流分布表面貼片天線的工作模式為 TM1/2,2 模式,遠場方向圖表面此時天線存在嚴重的交叉極化現(xiàn)象,尤其是 theta=0 方向附近。

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2.2 ? ? ? ? ?含有短截線的貼片天線
為了降低上述的交叉極化現(xiàn)象,可以在貼片天線上增加一對如下圖所示的短截線,短截線的寬度為 0.3mm,這里對短截線的長度進行參數(shù)掃描,取值為 17.4mm、22.4mm、27.4mm 和 32.4mm。S11 的計算結(jié)果表面,隨著短截線長度的增加,工作頻點逐步降低。

遠場方向圖表明,隨著短截線長度的增加,交叉極化的現(xiàn)象逐步改善。

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2.3 ? ? ? ? ?含有短截線的貼片天線
為了降低貼片天線的有效的輻射面積,可以將上述短截線進行折彎處理,本文中折彎處理的短截線總長度為 22.4mm。其工作頻點在 2.67GHz。

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改進后貼片天線 TM1/2,2 模式的工作頻點(2.67GHz)已經(jīng)與原貼片天線 TM1/2,0 模式的工作頻點(1.91GHz)較為接近,對比兩者的交叉極化現(xiàn)象,改進后的天線仍然具有明顯的優(yōu)勢。

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03

結(jié)論
傳統(tǒng)的短接式貼片天線在 TM1/2,2 模式下,H 平面存在嚴重的交叉極化現(xiàn)象;

通過增加一對短截線,可以通過改變貼片天線表面的電流分布,從而改善交叉極化;

通過,仿真計算可以驗證上述結(jié)論。

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公眾號“老貓電磁館”主筆,仿真軟件專家,高頻電磁問題專家,從事電磁場仿真與天線設計工作近二十年,關注方向包括各類天線設計與優(yōu)化,高頻電磁兼容,強電磁脈沖防護,5G與物聯(lián)網(wǎng)等。愛好美的事物,喜歡用文字和光影與讀者交流,工匠精神,人文關懷,從心開始。