案例應(yīng)用丨Ku波段基片集成波導(dǎo)縫隙天線仿真

ACEM(Advanced computational electromagnetism)是由芯瑞微(上 海)電子科技有限公司，基于自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)開發(fā)的三維電磁仿真軟件。

作為任意三維結(jié)構(gòu)全波電磁仿真工具，ACEM依托強大的3D編輯、自動參數(shù)化、和極低的內(nèi)存占用特性，搭載imesh智能加密和網(wǎng)格后處理引擎，高性能的GPU加速，并行計算的HPC特性，可適配于航空航天、半導(dǎo)體、計算機、通信網(wǎng)絡(luò)、人工智能等行業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計和仿真。

仿真場景

本次案例為ACEM在Ku波段基片集成波導(dǎo)縫隙天線的應(yīng)用，使用戶在天線產(chǎn)品實體化之前進行有效仿真，規(guī)避潛在設(shè)計風(fēng)險，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。

傳統(tǒng)的陣列天線有微帶和金屬波導(dǎo)兩種形式，微帶陣列天線具有小型化、易與電路集成等優(yōu)點，但開放結(jié)構(gòu)會發(fā)生能量泄露、輻射，對其他器件產(chǎn)生影響，而且隨著頻率升高此現(xiàn)象會更加嚴(yán)重;金屬波導(dǎo)縫隙天線具有插損小、Q值高、功率容量大等優(yōu)點，但其尺寸大、重量重，因此難與其他電路集成。基片集成波導(dǎo)(SIW)縫隙陣列天線可同時具有金屬波導(dǎo)縫隙陣列天線和微帶陣列天線的優(yōu)點，因此基片集成波導(dǎo)縫隙陣列天線有廣泛的應(yīng)用前景。

案例介紹

本案例使用PCB工藝，上下兩層板結(jié)構(gòu)，上下金屬層之間用金屬化通孔連接，微帶線與上層金屬之間用轉(zhuǎn)換器連接，通過在上層金屬上開縫，截斷了波導(dǎo)壁上的電流，波導(dǎo)內(nèi)的電磁場便激勵了縫隙，實現(xiàn)了向空間的能量輻射。案例需求為通過PhySim ACEM來確認此設(shè)計的S參數(shù)、近場與遠場輻射方向圖。

天線疊層示意圖

仿真設(shè)置步驟

創(chuàng)建模型

在坐標(biāo)系中創(chuàng)建一個立方體，并在Properties中修改名稱、材質(zhì)、顏色、透明度和尺寸。

采用同樣的方法步驟對所有疊層進行設(shè)置，設(shè)置完成后的模型如下。

設(shè)置激勵

選擇設(shè)置好的矩形，設(shè)置端口ID、電壓方向(低電勢箭頭指向天線)、起止頻率和掃頻步進。

設(shè)置Order Adjust

Order Adjust功能用于調(diào)整不同材質(zhì)物體仿真的優(yōu)先級，在ACEM中，金屬材料仿真優(yōu)先級高于非金屬材料，Order Adjust功能用于調(diào)整不同材質(zhì)物體仿真的優(yōu)先級。

設(shè)置輻射邊界

系統(tǒng)會根據(jù)模型尺寸自動生成輻射邊界。

設(shè)置網(wǎng)格

XY方向最小網(wǎng)格尺寸設(shè)置一般遵循此方向最小尺寸值的一半，Z方向最小網(wǎng)格尺寸和最薄介質(zhì)尺寸一致，保證物體邊緣都卡在網(wǎng)格線上，設(shè)置完最小網(wǎng)格尺寸后點擊Mesh，系統(tǒng)自動生成網(wǎng)格。

設(shè)置監(jiān)視器

點擊Output中的Far-field，設(shè)置需要觀測遠場的頻點和2D/3D輻射方向圖;在需要觀測電場處添加平面，選擇平面點擊Output中的Field，勾選需要觀測的場與頻點。

仿真結(jié)果

S參數(shù)分析

諧振點在18GHz附近，滿足設(shè)計要求。

表面電流分析

選擇需要觀測表面電流的物體和頻點，查看電流分布和電流強度。

電場分析

選擇需要觀測表面電流的物體和頻點，查看電場分布和電場強度。

天線增益分析

查看遠場2D/3D輻射方向圖，最大增益為11.6dBi，滿足設(shè)計要求。

仿真結(jié)論

以上使用ACEM仿真Ku波段基片集成波導(dǎo)縫隙天線，對其表面電流、電場、S參數(shù)和遠場方向圖等性能進行了分析和優(yōu)化。在仿真中，對天線模型進行了參數(shù)化建模，通過對縫隙的位置、尺寸以及介質(zhì)基板厚度等參數(shù)進行參數(shù)掃描，得到了天線最優(yōu)的性能。

ACEM擁有單機和多機并行運算功能，在得到天線的最優(yōu)性能的同時，可以減少仿真時間，提升仿真的效率，滿足客戶對仿真精度與效率的雙重要求。

綜上所述，通過ACEM對Ku波段基片集成波導(dǎo)縫隙天線進行電磁仿真，得到了非常可靠的仿真結(jié)果，幫助客戶確認了天線最佳的設(shè)計方案，完成了設(shè)計的最終定稿和打板。