使用HFSS 仿真泄漏同轴电缆耦合损耗的方法

田新平， 王兆成， 马 涛， 丁 一

（安费诺时代微波电子（上海）有限公司，上海201111）

0 引 言

近年来，泄漏同轴电缆发展迅速，它与人们的生活密不可分，地铁、隧道、地下商场、地下停车场等封闭空间都离不开它。 泄漏同轴电缆具有辐射天线、接收天线和传输线等多种功能。 泄漏同轴电缆的结构与一般的射频同轴电缆不同，它的外导体会存在一些有规律的缝隙，这些缝隙的大小、形状以及排列方式会决定泄漏同轴电缆的辐射特性［1-3］。 而耦合损耗是泄漏同轴电缆辐射特性最主要的性能指标之一。 理论计算分析泄漏同轴电缆的耦合损耗过程十分复杂，目前，使用最多的解析法的推导过程也十分繁琐。 HFSS 电磁仿真软件是一款基于有限元法的三维电磁仿真软件，能够帮助设计人员快速而高效地设计出符合客户耦合损耗要求的泄漏同轴电缆［4-5］。 本工作以一款新型两侧开槽结构的耦合型泄漏同轴电缆为例，介绍了HFSS 电磁仿真软件仿真泄漏同轴电缆耦合损耗的详细步骤。

1 泄漏同轴电缆的结构和耦合损耗的要求

本泄漏同轴电缆是一款两侧纵向开缝的耦合型泄漏电缆，两侧的缝隙远小于其工作波长。 客户要求的工作频率为2.4 GHz。 本工作需要保证设计的泄漏同轴电缆在2.4 GHz 的耦合损耗为76 dB。 泄漏同轴电缆的结构和尺寸见表1，泄漏同轴电缆的结构示意图见图1。

图1 泄漏同轴电缆的结构示意图

表1 泄漏同轴电缆结构和尺寸

2 使用HFSS 建立仿真模型

2.1 使用HFSS 建立泄漏同轴电缆的模型

为了提高仿真的运行速率，建立的泄漏同轴电缆的模型的长度为2 000 mm。 具体步骤如下：

（1） 绘制直径为 13.11 mm 的实心圆柱 1，将圆柱材料设置为铜，铜的电导率为5.8×10-7S／m，则实心圆柱1 为实际泄漏同轴电缆的内导体的电磁等效模型。

（2） 绘制直径为 34.29 mm 的实心圆柱 2，新建材料，将材料的介质损耗角正切值和介电常数分别设置为1.7×10-5和1.27。 使用布尔运算，用实心圆柱2 减去实心圆柱1，并保留实心圆柱1 的属性，得到的环状体即为实际绝缘介质的电磁模型。

（3） 绘制直径为 34.5 mm 的实心圆柱 3，将圆柱材料设置为铜，铜的电导率为5.8×10-7S／m，使用布尔运算，用实心圆柱3 减去实心圆柱2，并保留实心圆柱2 的属性，得到的环状体即为实际泄漏电缆外导体的电磁模型。

（4） 绘制长方体4 和长方体5，选择材料为空气，长方体的宽（即为泄漏电缆的缝隙）设置为3 mm。 使用布尔运算，用实心圆柱3 减去长方体4 和长方体5，注意需要选择不保留长方体的属性，最终得到的模型即为泄漏同轴电缆的电磁模型，见图2。

图2 泄漏同轴电缆的电磁模型

2.2 使用HFSS 建立半波长偶极子天线的模型

本工作设置半波长偶极子天线距离泄漏同轴电缆的距离为2 000 mm，并保证建立的半波长偶极子天线的模型垂直于泄漏同轴电缆的缝隙。 设置半波长偶极子天线的材料为铜，铜的电导率为5.8×10-7S／m。 由于客户要求的频率为 2.4 GHz，因此设定半波长偶极子天线的总长度为60 mm（0.48 倍的波长），天线半径为1.25 mm，并创建一个上下边缘分别与半波长偶极子天线两个臂相接的矩形面，此矩形面正对泄漏同轴电缆的缝隙。 最终得到的模型即为半波长偶极子天线的电磁模型，见图3。

图3 半波长偶极子天线的电磁模型

2.3 建立空气盒子模型

鼠标右击“Draw”菜单栏下的“Region”，建立空气盒子，材质选择为“Air”，并修改相关参数，保证空气盒子距离泄漏同轴电缆和半波长偶极子天线的距离大于或等于1／4 波长，即大于或等于31.25 mm。最终建立了空气盒子的电磁模型，见图4。

图4 空气盒子的电磁模型

3 对仿真模型进行参数设置

3.1 设置辐射波端口和辐射边界

将泄漏同轴电缆的两端设置为波端口模式“Wave Port”，分别为 P1 和 P2；将半波长偶极子天线的端口模式定义为集总端口模式“Lumped Port”，为P3；将空气盒子表面设置为辐射边界条件“Radiation”；并设置泄漏同轴电缆和半波长偶极子天线的阻抗值均为50 Ω。

3.2 求解设置

需要将求解频率设置为要求的2.4 GHz，并添加2.0～2.8 GHz 的扫频设置。 扫频类型选择快速扫频（Fast），自适应网格剖分的最大迭代次数为20，收敛误差为0.02，频率步进为0.01 GHz。

4 运行仿真

4.1 检查并运行仿真计算

右击HFSS 菜单栏下的“Validation Check”进行设计检查，检查完成即可运行仿真运算。 右击HFSS 菜单栏下的“Analyze All”进行仿真运算。

4.2 仿真数据分析

右击HFSS 菜单栏下的“Results”查看仿真结果。 在弹出的快捷菜单栏 【Create Modal Solution Data Report】 中选择【Rectangular Plot】即可打开报告设置对话框，完成后根据S参数的物理意义，耦合损耗用S31 表征，具体操作如下：依次选择【SParameter】-【S（P3：P1）】-【DB】即可得出最终的耦合损耗报告图形，见图5。

图5 耦合损耗报告图形

5 结束语

本工作利用HFSS 电磁仿真软件对一款两侧均匀缝隙的耦合型泄漏电缆的耦合损耗进行仿真，详细介绍了HFSS 仿真泄漏电缆耦合损耗的仿真步骤，可以给初学者一定的帮助。 但是在真正使用HFSS 电磁仿真软件进行泄漏同轴电缆仿真时，还需兼顾泄漏同轴电缆传输衰减的指标，这两者缺一不可。