案例应用 | ACEM在天线行业的应用：双圆极化耦合馈电贴片天线仿真

PART1  适配行业

ACEM是由芯瑞微(上海)电子科技有限公司，基于自主知识产权技术开发的三维电磁仿真软件。

作为任意三维结构全波电磁仿真工具，ACEM依托强大的3D编辑、自动参数化和极低的内存占用特性，搭载imesh智能加密和网格后处理引擎，高性能的GPU加速，可并行加速的HPC特性，适配于半导体、计算机、通信网络、车用电子等多个行业的设计和仿真。

本次案例为ACEM在天线行业的应用，使用户在天线产品实体化之前进行有效仿真，规避潜在设计风险，缩短产品设计周期

PART2  场景描述

在双圆极化耦合馈电贴片天线设计中，天线阵元和馈电网络的设计都是重要部分，该设计将直接影响天线的增益和左旋/右旋极化切换，若天线增益过小，将造成组阵后信号强度变弱、通讯距离下降、覆盖范围变小等问题，若馈电网络设计不合理，将增加整体的链路损耗和相位偏差，导致部分信息丢失，地面站接收的信号强度减弱。所以天线阵元的馈电网络优化是性能提升的关键所在。

PART3  案例简介

本案例为8层压合板，层与层之间通过PP层粘连，叠层如下图所示，主要包括天线贴片层、空气腔层、缝隙层、微带线层和馈电网络层，复杂的层叠设计容易造成链路损耗增大、天线增益降低。通过PhySim ACEM来确认此设计的S参数、远场辐射方向图和极化增益。

天线叠层示意图

PART4  仿真设置

4.1 创建模型

在坐标系中创建一个立方体，并在Properties中修改名称、材质、颜色、透明度和尺寸。

 

采用同样的方法步骤对所有叠层进行设置，设置完成后的模型如下。

4.2 设置激励

选择设置好的矩形，设置端口ID、电压方向(低电势箭头指向天线)、起止频率和扫频步进，以同样的方法设置另一馈电。

 

4.3 设置Order Adjust

Order Adjust功能用于调整不同材质物体仿真的优先级，在ACEM中非金属材料需要置顶，仿真优先级低于金属材料，Order Adjust功能用于调整不同材质物体仿真的优先级，在ACEM中非金属材料需要置顶，仿真优先级低于金属材料。

4.4 设置辐射边界

系统会根据模型尺寸自动生成辐射边界。

4.5 设置网格

XY方向最小网格尺寸设置一般遵循此方向最小线宽值的一半，Z方向最小网格尺寸和最薄介质尺寸一致，保证物体边缘都卡在网格线上，设置完最小网格尺寸后点击Mesh，系统自动计算总的网格数。

ACEM

4.6 设置监视器

选中需要观测表面电流的物体，点击Surf-current，设置需要观测的频点;点击Output中的Far-field，设置需要观测远场的频点和2D/3D。

ACEM

PART5 仿真效果

5.1 S参数分析

谐振点在9.5GHz附近，满足设计要求。

 

5.2 表面电流分析

选择需要观测表面电流的物体和频点，查看电流分布和电流强度。

5.3 天线增益分析

1/2端口天线远场辐射方向图，10GHz时的天线增益为3.7dBi，与理论计算结果差异不大(单贴片天线增益7dBi左右，减去馈电网络的插损3.5dB，包括3dB电桥与微带线、过孔，得到理论增益值3.5dBi)。

ACEM

极化增益判断馈电1/2对应的是左旋圆极化还是右旋圆极化，查看1端口在10GHz时的左旋圆极化增益为3dBi，右旋圆极化增益为0.8dBi，因为左旋圆极化增益大于右旋圆极化增益，所以可以判定端口1导通时天线为左旋圆极化。

PART6  ACEM在此案中的价值点

以上使用ACEM仿真双圆极化耦合馈电贴片天线的表面电流、S参数和远场方向图，仿真结果准确可信，仿真耗费资源极少，耗费时间一共20min。