相信研究人員都知道，天線間的隔離度可以很直觀地評估平臺上不同天線間相互影響的情況，在諸如車載、機載和艦載等電大平臺的電磁兼容性指標中，天線間隔離度是非常重要的參數。經過這么多年的發展，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，利用HFSS SBR+求解器仿真機載平臺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評估機載平臺上天線間的隔離情況，同時也將展示HFSS中創建天線的不同方法，這些方法可以覆蓋多種工程應用場景。
1、機載平臺模型
1.1、極化隔離示例
平臺上的通信系統不得不考慮極化隔離，即干擾源與干擾對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，指定天線1為被干擾的天線（接收天線），天線2為產生干擾的天線（發射天線）。
圖1 天線在平臺上的布局
1.1.1、天線建模
天線1和天線2均采用Parametric Beam方法創建，右鍵點擊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射或者接收，從S參數角度可以看作是2端口網絡，由于我們此處只考慮天線2對天線1的影響，即只考慮S12。為了減少計算量，我們可以指定天線1為接收天線、天線2為發射天線。方法為，右鍵點擊Project Manager>HFSS Design >Excitation，選擇Select Tx/Rx，彈出窗口設置如圖3所示。
圖3 收發天線設置
1.1.2、求解設置
Solution setup設置如下圖所示，由于我們重點關注隔離度情況，因此為了減少計算量從而縮短仿真時間，此處我們不勾選Compute Fields，如圖4所示。
圖4 極化隔離的求解設置
1.1.3、極化隔離仿真結果
建好模型及求解設置，運行仿真。右鍵點擊Project Manager>HFSS Design >Result，選擇Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，如圖5所示選擇相應的S參數。注，由于我們提前指定了Rx/Tx，此處僅有一個S參數結果可選。 圖5 創建S參數結果
得到結果如圖6所示。該仿真得到了相同參數的天線在不同極化方式下的隔離度。其中當天線1和2均為垂直極化時，隔離度最差；當天線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，隔離度介于前兩者之間且曲線重合。
圖6 極化隔離仿真結果
1.2、方位隔離示例
方位隔離可以簡單的理解為方向、位置及其組合對隔離的影響。這里我們考慮2種場景，場景1考慮輻射方向的影響：受干擾的接收天線和產生干擾的發射天線，兩者位置固定不變，而發射天線的主波束在平面上的-45°到+45°區間掃描，如圖7所示；場景2考慮相對位置的影響：接收天線固定不變，僅改變發射天線的相對位置，如圖8所示。注：兩種場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 場景1：方向隔離
圖8 場景2：位置隔離
1.2.1天線建模
1.2.1.1場景1天線模型
首先為接收天線和發射天線建立相對坐標系，如下所示：
圖9 場景1
相對坐標系創建接收天線采用單極子天線，工作頻率1.56GHz，利用“wire Monopole”方法實現，右鍵點擊Project Manager>HFSS Design >Excitation，選擇Create Antenna Component>Wire Monopole，并在彈出的窗口中如圖10設置。注：此時將RX_CS坐標系設置為當前工作的坐標系。
圖10 接收天線創建方法及參數設置
創建發射天線采用自定義波束天線，利用“Parametric Beam”方法實現，右鍵點擊Project Manager>HFSS Design >Excitation，選擇Create Antenna Component>Parametric Beam，如圖11所示。注：此時將TX_CS坐標系設置為當前工作的坐標系。為了仿真發射天線朝向不同方位輻射的情況，將該天線沿Z軸旋轉，旋轉的角度設定為變量rotate_Tx：-45°~+45°，step=15°。為了減少計算量，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，右鍵點擊Project Manager>HFSS Design >Excitation，選擇Select Tx/Rx并相應的指定即可。
圖11 發射天線創建方法及參數設置
1.2.1.2場景2天線模型
首先為接收天線和發射天線建立相對坐標系，其中發射天線的x坐標設置為變量Lx（-4m,2m,stpe=1m），以便后續仿真不同位置變化對隔離度的影響。如下所示：
圖12 場景2
相對坐標系創建接收天線采用單極子天線，工作頻率0.5GHz，利用“wire Monopole”方法，實現方式如同4.1.1節的接收天線建模。創建發射天線采用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，點擊finish后界面會自動生成一個新的GPS天線的Project，如圖13、14所示。為了減少計算量，我們可以指定wire Monopole天線為RX天線、GPS天線為Tx天線。方法為，右鍵點擊Project Manager>HFSS Design >Excitation，選擇Select Tx/Rx并相應的指定即可。
圖13 Antenna Tool kit創建GPS天線
圖14 自動創建的名稱為“GPS_patch_ceramic_ATK1”的Project
我們如何將這個GPS天線導入到場景中呢？1）可以將該模型創建為3D Component2）也可以選擇Link to Source Design3）再或者導入該天線3D遠場輻射結果，以作為激勵源。這里我們介紹第3種方法，即利用“Excitation→By File”的方法導入GPS天線遠場數據，具體方法如下：（1）.ffd數據導出首先在自動創建的“ GPS_patch_ceramic_ATK1”Project中，雙擊Analysis下的ATK_Solution，在Advanced選項卡下的Far Filed Observation Domain選中3D。注意必須選擇3D，我們才能將GPS天線的3維輻射場導出。如圖15所示。
圖15 求解設置
-Far Filed Observation Domain隨后對ATK_Solution下的SParam_Sweep進行掃頻設置，將插值Interpolating改為離散Discrete，掃頻范圍設置在1.5GHz~1.65GHz，掃描點100個，如圖16所示。
圖16 SParam_Sweep
掃頻設置運行仿真，仿真完成后，在Radiation下方右鍵點擊“3D”并選擇Compute Antenna Parameters，彈出窗口的設置如圖17所示，然后選擇Export Fields導出并保存.ffd文件。
圖17 遠場數據
.ffd文件導出（2）.ffd數據導入回到場景2的Project Manager中，首先將當前工作坐標系設定為TX_CS，然后右鍵點擊Excitation，選擇Create Antenna Component>By file，彈出窗口中選擇External…，并找到上一步導出的.ffd文件。如圖18所示。
圖18 .ffd文件導入
1.2.2求解設置
1.2.2.1場景1求解設置
Solution setup設置如下圖所示，由于我們重點關注隔離度情況，因此為了減少計算量從而縮短仿真時間，此處我們不勾選Compute Fields，如圖19所示。
圖19 場景1方向隔離的求解設置
1.2.2.2場景2求解設置
同樣，為了減少計算量從而縮短仿真時間，此處我們不勾選Compute Fields，如圖20所示。
圖20 場景2位置隔離的求解設置
1.2.3方位隔離仿真結果
1.2.3.1場景1方向隔離的仿真結果
右鍵點擊Project Manager>HFSS Design >Result，選擇Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，得到如圖21所示的S參數結果。結果顯示，當roatat_Tx=0°時，即發射天線主波束沿+X方向時，隔離度最差，roatat_Tx=45°時，即發射天線主波束與+X軸夾角45°時，隔離度最好。
圖21 場景1方向隔離仿真結果
1.2.3.2場景2位置隔離的仿真結果
右鍵點擊Project Manager>HFSS Design >Result，選擇Create Modal Solution Data Report>Rectangular>Plot，得到如圖22所示的S參數結果。結果顯示，Lx=2m時，即發射天線離接收天線最近時，隔離度最差；整體而言當Lx=-2~-4m時，隔離度逐漸變好。
圖22 場景2位置隔離仿真結果
2、結論
首先必須強調的是，本案例考慮的場景或者因素相對單一，以上幾種隔離場景在實際工程中，需要進行綜合考慮。本案例在HFSS SBR+求解類型下，利用了By file、Parametric Beam、Wire Monopole等方式創建了天線模型，這些方式可供不同的工程實際而選擇。可以看到，針對極化隔離、方位隔離等電磁兼容問題，利用HFSS SBR+對進行仿真是一種很好的手段，可以幫助我們有效地預測平臺級電磁兼容問題，并為問題的解決提供解決思路與預先驗證。
