使用HFSS 仿真泄漏同軸電纜耦合損耗的方法

田新平， 王兆成， 馬 濤， 丁 一

（安費(fèi)諾時(shí)代微波電子（上海）有限公司，上海201111）

0 引 言

近年來，泄漏同軸電纜發(fā)展迅速，它與人們的生活密不可分，地鐵、隧道、地下商場、地下停車場等封閉空間都離不開它。 泄漏同軸電纜具有輻射天線、接收天線和傳輸線等多種功能。 泄漏同軸電纜的結(jié)構(gòu)與一般的射頻同軸電纜不同，它的外導(dǎo)體會(huì)存在一些有規(guī)律的縫隙，這些縫隙的大小、形狀以及排列方式會(huì)決定泄漏同軸電纜的輻射特性［1-3］。 而耦合損耗是泄漏同軸電纜輻射特性最主要的性能指標(biāo)之一。 理論計(jì)算分析泄漏同軸電纜的耦合損耗過程十分復(fù)雜，目前，使用最多的解析法的推導(dǎo)過程也十分繁瑣。 HFSS 電磁仿真軟件是一款基于有限元法的三維電磁仿真軟件，能夠幫助設(shè)計(jì)人員快速而高效地設(shè)計(jì)出符合客戶耦合損耗要求的泄漏同軸電纜［4-5］。 本工作以一款新型兩側(cè)開槽結(jié)構(gòu)的耦合型泄漏同軸電纜為例，介紹了HFSS 電磁仿真軟件仿真泄漏同軸電纜耦合損耗的詳細(xì)步驟。

1 泄漏同軸電纜的結(jié)構(gòu)和耦合損耗的要求

本泄漏同軸電纜是一款兩側(cè)縱向開縫的耦合型泄漏電纜，兩側(cè)的縫隙遠(yuǎn)小于其工作波長。 客戶要求的工作頻率為2.4 GHz。 本工作需要保證設(shè)計(jì)的泄漏同軸電纜在2.4 GHz 的耦合損耗為76 dB。 泄漏同軸電纜的結(jié)構(gòu)和尺寸見表1，泄漏同軸電纜的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 泄漏同軸電纜的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 泄漏同軸電纜結(jié)構(gòu)和尺寸

2 使用HFSS 建立仿真模型

2.1 使用HFSS 建立泄漏同軸電纜的模型

為了提高仿真的運(yùn)行速率，建立的泄漏同軸電纜的模型的長度為2 000 mm。 具體步驟如下：

（1） 繪制直徑為 13.11 mm 的實(shí)心圓柱 1，將圓柱材料設(shè)置為銅，銅的電導(dǎo)率為5.8×10-7S／m，則實(shí)心圓柱1 為實(shí)際泄漏同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體的電磁等效模型。

（2） 繪制直徑為 34.29 mm 的實(shí)心圓柱 2，新建材料，將材料的介質(zhì)損耗角正切值和介電常數(shù)分別設(shè)置為1.7×10-5和1.27。 使用布爾運(yùn)算，用實(shí)心圓柱2 減去實(shí)心圓柱1，并保留實(shí)心圓柱1 的屬性，得到的環(huán)狀體即為實(shí)際絕緣介質(zhì)的電磁模型。

（3） 繪制直徑為 34.5 mm 的實(shí)心圓柱 3，將圓柱材料設(shè)置為銅，銅的電導(dǎo)率為5.8×10-7S／m，使用布爾運(yùn)算，用實(shí)心圓柱3 減去實(shí)心圓柱2，并保留實(shí)心圓柱2 的屬性，得到的環(huán)狀體即為實(shí)際泄漏電纜外導(dǎo)體的電磁模型。

（4） 繪制長方體4 和長方體5，選擇材料為空氣，長方體的寬（即為泄漏電纜的縫隙）設(shè)置為3 mm。 使用布爾運(yùn)算，用實(shí)心圓柱3 減去長方體4 和長方體5，注意需要選擇不保留長方體的屬性，最終得到的模型即為泄漏同軸電纜的電磁模型，見圖2。

圖2 泄漏同軸電纜的電磁模型

2.2 使用HFSS 建立半波長偶極子天線的模型

本工作設(shè)置半波長偶極子天線距離泄漏同軸電纜的距離為2 000 mm，并保證建立的半波長偶極子天線的模型垂直于泄漏同軸電纜的縫隙。 設(shè)置半波長偶極子天線的材料為銅，銅的電導(dǎo)率為5.8×10-7S／m。 由于客戶要求的頻率為 2.4 GHz，因此設(shè)定半波長偶極子天線的總長度為60 mm（0.48 倍的波長），天線半徑為1.25 mm，并創(chuàng)建一個(gè)上下邊緣分別與半波長偶極子天線兩個(gè)臂相接的矩形面，此矩形面正對(duì)泄漏同軸電纜的縫隙。 最終得到的模型即為半波長偶極子天線的電磁模型，見圖3。

圖3 半波長偶極子天線的電磁模型

2.3 建立空氣盒子模型

鼠標(biāo)右擊“Draw”菜單欄下的“Region”，建立空氣盒子，材質(zhì)選擇為“Air”，并修改相關(guān)參數(shù)，保證空氣盒子距離泄漏同軸電纜和半波長偶極子天線的距離大于或等于1／4 波長，即大于或等于31.25 mm。最終建立了空氣盒子的電磁模型，見圖4。

圖4 空氣盒子的電磁模型

3 對(duì)仿真模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置

3.1 設(shè)置輻射波端口和輻射邊界

將泄漏同軸電纜的兩端設(shè)置為波端口模式“Wave Port”，分別為 P1 和 P2；將半波長偶極子天線的端口模式定義為集總端口模式“Lumped Port”，為P3；將空氣盒子表面設(shè)置為輻射邊界條件“Radiation”；并設(shè)置泄漏同軸電纜和半波長偶極子天線的阻抗值均為50 Ω。

3.2 求解設(shè)置

需要將求解頻率設(shè)置為要求的2.4 GHz，并添加2.0～2.8 GHz 的掃頻設(shè)置。 掃頻類型選擇快速掃頻（Fast），自適應(yīng)網(wǎng)格剖分的最大迭代次數(shù)為20，收斂誤差為0.02，頻率步進(jìn)為0.01 GHz。

4 運(yùn)行仿真

4.1 檢查并運(yùn)行仿真計(jì)算

右擊HFSS 菜單欄下的“Validation Check”進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查，檢查完成即可運(yùn)行仿真運(yùn)算。 右擊HFSS 菜單欄下的“Analyze All”進(jìn)行仿真運(yùn)算。

4.2 仿真數(shù)據(jù)分析

右擊HFSS 菜單欄下的“Results”查看仿真結(jié)果。 在彈出的快捷菜單欄 【Create Modal Solution Data Report】 中選擇【Rectangular Plot】即可打開報(bào)告設(shè)置對(duì)話框，完成后根據(jù)S參數(shù)的物理意義，耦合損耗用S31 表征，具體操作如下：依次選擇【SParameter】-【S（P3：P1）】-【DB】即可得出最終的耦合損耗報(bào)告圖形，見圖5。

圖5 耦合損耗報(bào)告圖形

5 結(jié)束語

本工作利用HFSS 電磁仿真軟件對(duì)一款兩側(cè)均勻縫隙的耦合型泄漏電纜的耦合損耗進(jìn)行仿真，詳細(xì)介紹了HFSS 仿真泄漏電纜耦合損耗的仿真步驟，可以給初學(xué)者一定的幫助。 但是在真正使用HFSS 電磁仿真軟件進(jìn)行泄漏同軸電纜仿真時(shí)，還需兼顧泄漏同軸電纜傳輸衰減的指標(biāo)，這兩者缺一不可。