宽带圆极化超表面天线HFSS仿真复现关键词HFSS超表面天线圆极化CMA宽带一、文章简要介绍圆极化超表面天线因其低剖面、高增益和宽带特性在卫星通信、雷达和5G毫米波系统中需求日益增长。然而同时实现宽阻抗带宽和宽轴比带宽仍是设计难点。我们基于Electronics期刊论文Li et al., Electronics 2025, 14, 2818采用ANSYS HFSS 2022R2全波仿真软件配合特征模分析CMA方法复现了一款宽带圆极化超表面天线。该天线由4×4寄生贴片、4×4模抑制贴片和中心对称超表面结构组成采用环形缝隙耦合加L形微带馈电线最终实现39.5%阻抗带宽、33.1%轴比带宽和9.36 dBic峰值增益。二、HFSS建模与仿真设置2.1 天线几何结构与HFSS建模天线为三层结构顶层为4×4寄生贴片围绕中心5×5超表面单元去除四角贴片以抑制高次模中层为带有环形缝隙的金属接地板底层为L形微带馈电导体印刷于Rogers RO4350B介质基板εr3.66, tanδ0.004。基板厚度1.524 mm天线整体尺寸0.9λ0×0.9λ0×0.05λ0。图1 天线结构示意图超表面层-环槽缝隙层-L形馈线层-侧视图2.2 CMA特征模分析——确定激励模式HFSS仿真前先用CMA方法分析超表面结构的固有模式。特征角180°和模态显著性MS0.707对应的频率范围指示了可被激励的模式。结果表明模式1Y方向极化和模式2-X方向极化是一对正交模式在6.9 GHz处特征角均接近180°可同时激励实现圆极化辐射。而模式3和模式4因中心对称电流分布导致Z方向出现零点属于非辐射模式在实际设计中需要加以抑制。图2 前4个特征模在6.9GHz的模态电流分布在HFSS中设置求解频率6.9 GHz选用Driven Modal求解类型四面体网格自适应剖分最大迭代次数20次S参数收敛精度0.02。馈电端口为集总端口阻抗50Ω。远场球面设置θ0°~180°、φ0°~360°步长2°。2.3 HFSS参数化扫描——单元数量优化为确定最优超表面单元数量在HFSS中对3×3仅中心贴片至6×6共四种配置进行全波参数扫描。仿真结果表明3×3单元因轴比曲线仅在低频段存在单一谐振点圆极化性能不足5×5单元结构在5-7.25 GHz实现阻抗匹配且轴比在5.3-7.45 GHz范围内接近3 dB增加至6×6后因贴片间互耦过大导致S11谐振劣化。因此选择5×5单元为基础结构。图3 不同MTS单元数量下的S11和轴比HFSS仿真结果2.4 HFSS参数化扫描——贴片与缝隙优化在5×5单元基础上HFSS中进一步进行三项关键参数扫描(1)耦合缝隙半径r——从r1.5mm逐0.1mm扫描至r2.6mm发现r2.2mm时阻抗匹配最佳|S11|在6.2GHz处-25dB(2)添加寄生贴片——引入4×4寄生贴片后5.2GHz处出现新的轴比谐振点双重谐振将工作频带内的轴比整体压低(3)添加模抑制贴片——通过4×4模抑制贴片进一步压制非辐射模式与目标模式的频带重叠AR带宽显著展宽。图4 耦合缝隙半径r对S11和轴比的HFSS参数扫描结果图5 寄生贴片与模抑制贴片对天线阻抗和轴比的影响最终优化后的天线几何参数如表1所列见原文关键参数超表面贴片边长p8.2mm寄生贴片间距d22.2mmL形馈线Lf17.8mm、Lf25.8mm环形缝隙半径r2.2mm缝隙宽度ws1mm。三、HFSS仿真与实测结果对比3.1 反射系数与轴比验证将HFSS仿真所得S参数导出与使用PNA3769矢量网络分析仪的实测结果对比。天线实测IBW为4.92-7.37 GHz39.5%与仿真值高度吻合。轴比方面天线存在两个轴比极小值5.2 GHz和7.1 GHzARBW为5.25-7.33 GHz33.1%。仿真与实测的AR曲线趋势一致细微差异主要来源于加工公差及SMA接头影响。实测交叉极化比在5.4 GHz处-20 dB7.1 GHz处-15 dB表现出良好的左旋圆极化特性。图6 S11和轴比的HFSS仿真与实测结果对比3.2 三维辐射方向图HFSS远场求解给出的3D方向图显示在5.4 GHz和7.1 GHz两个频点天线均呈现对称笔形波束峰值增益分别达到8.98 dBic和9.36 dBic。整个工作频带内增益波动3 dB辐射效率80%-94%半功率波束宽度约54°。3D方向图的对称性和低副瓣特性证实了L形缝隙耦合馈电网络能够有效激励CMA识别的正交模式对模式1模式2成功实现宽带圆极化辐射。图7 HFSS仿真三维辐射方向图左:5.4GHz, 右:7.1GHz四、我们提供的仿真服务我们基于ANSYS HFSS平台提供从天线初始概念设计、特征模分析CMA到全波参数化扫描与优化的全流程仿真服务。涵盖微带天线、缝隙耦合天线、超表面天线等类型支持S参数计算、轴比优化、增益和效率评估、远场方向图渲染及阻抗匹配设计。采用Driven Modal/Driven Terminal求解器结合自适应网格剖分与Optimetrics参数扫描可实现天线方案快速迭代验证。助力科研团队降低原型制造次数加速从设计到测试的开发周期。