案例应用丨Ku波段基片集成波导缝隙天线仿真

ACEM(Advanced computational electromagnetism)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，并行计算的HPC特性，可适配于航空航天、半导体、计算机、通信网络、人工智能等行业产品的设计和仿真。

仿真场景

本次案例为ACEM在Ku波段基片集成波导缝隙天线的应用，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。

传统的阵列天线有微带和金属波导两种形式，微带阵列天线具有小型化、易与电路集成等优点，但开放结构会发生能量泄露、辐射，对其他器件产生影响，而且随着频率升高此现象会更加严重;金属波导缝隙天线具有插损小、Q值高、功率容量大等优点，但其尺寸大、重量重，因此难与其他电路集成。基片集成波导(SIW)缝隙阵列天线可同时具有金属波导缝隙阵列天线和微带阵列天线的优点，因此基片集成波导缝隙阵列天线有广泛的应用前景。

案例介绍

本案例使用PCB工艺，上下两层板结构，上下金属层之间用金属化通孔连接，微带线与上层金属之间用转换器连接，通过在上层金属上开缝，截断了波导壁上的电流，波导内的电磁场便激励了缝隙，实现了向空间的能量辐射。案例需求为通过PhySim ACEM来确认此设计的S参数、近场与远场辐射方向图。

天线叠层示意图

仿真设置步骤

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。

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。

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，金属材料仿真优先级高于非金属材料，Order Adjust功能用于调整不同材质物体仿真的优先级。

设置辐射边界

系统会根据模型尺寸自动生成辐射边界。

设置网格

XY方向最小网格尺寸设置一般遵循此方向最小尺寸值的一半，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，系统自动生成网格。

设置监视器

点击Output中的Far-field，设置需要观测远场的频点和2D/3D辐射方向图;在需要观测电场处添加平面，选择平面点击Output中的Field，勾选需要观测的场与频点。

仿真结果

S参数分析

谐振点在18GHz附近，满足设计要求。

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。

电场分析

选择需要观测表面电流的物体和频点，查看电场分布和电场强度。

天线增益分析

查看远场2D/3D辐射方向图，最大增益为11.6dBi，满足设计要求。

仿真结论

以上使用ACEM仿真Ku波段基片集成波导缝隙天线，对其表面电流、电场、S参数和远场方向图等性能进行了分析和优化。在仿真中，对天线模型进行了参数化建模，通过对缝隙的位置、尺寸以及介质基板厚度等参数进行参数扫描，得到了天线最优的性能。

ACEM拥有单机和多机并行运算功能，在得到天线的最优性能的同时，可以减少仿真时间，提升仿真的效率，满足客户对仿真精度与效率的双重要求。

综上所述，通过ACEM对Ku波段基片集成波导缝隙天线进行电磁仿真，得到了非常可靠的仿真结果，帮助客户确认了天线最佳的设计方案，完成了设计的最终定稿和打板。