基于ANSYS HFSS分析短接式貼片天線

文獻(xiàn)（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(chǎng)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(yuǎn)場(chǎng)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(huì)出現(xiàn)|Etheta|過(guò)大而|Ephi|過(guò)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(duì)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(yuǎn)場(chǎng)的|Etheta|分量并增強(qiáng)電場(chǎng)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(jìn)行了折彎處理。此時(shí)，改進(jìn)后貼片天線 TM1/2,2 模式的工作頻點(diǎn)已經(jīng)與原貼片天線 TM1/2,0 模式的工作頻點(diǎn)較為接近，對(duì)比兩者的交叉極化現(xiàn)象，改進(jìn)后的天線仍然具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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(jì)算天線的工作頻點(diǎn)、貼片表面電流分布，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，驗(yàn)證了文獻(xiàn)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(shè)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(diǎn)距離 Patch 的邊界（x 方向）為 20.5 mm，Patch 一端通過(guò)短接引腳接地。根據(jù)天線尺寸，預(yù)算 TM1/2,2 模式的工作波長(zhǎng)約為 40mm，即工作頻點(diǎn)大約在 7.5GHz 左右，掃頻計(jì)算得到其工作頻點(diǎn)為 7.75GHz。

在工作頻點(diǎn)下仿真計(jì)算貼片天線的表面電流分布和 YOZ 平面的遠(yuǎn)場(chǎng)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(yuǎn)場(chǎng)方向圖表面此時(shí)天線存在嚴(yán)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(duì)如下圖所示的短截線，短截線的寬度為 0.3mm，這里對(duì)短截線的長(zhǎng)度進(jìn)行參數(shù)掃描，取值為 17.4mm、22.4mm、27.4mm 和 32.4mm。S11 的計(jì)算結(jié)果表面，隨著短截線長(zhǎng)度的增加，工作頻點(diǎn)逐步降低。

遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖表明，隨著短截線長(zhǎng)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(jìn)行折彎處理，本文中折彎處理的短截線總長(zhǎng)度為 22.4mm。其工作頻點(diǎn)在 2.67GHz。

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

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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(yán)重的交叉極化現(xiàn)象；

通過(guò)增加一對(duì)短截線，可以通過(guò)改變貼片天線表面的電流分布，從而改善交叉極化；

通過(guò)，仿真計(jì)算可以驗(yàn)證上述結(jié)論。