HFSS做天線設(shè)計(jì)

2016-09-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

概述:

HFSS作為業(yè)界第一個(gè)商業(yè)化的三維全波任意結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真工具,可以為天線及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供全面的仿真功能:包括設(shè)計(jì)、優(yōu)化及天線的性能評(píng)估。HFSS能夠精確仿真計(jì)算天線的各種電性能,包括二維、三維遠(yuǎn)場(chǎng)/近場(chǎng)輻射方向圖、天線增益、軸比、計(jì)劃比、半功率波瓣寬度、內(nèi)部電磁場(chǎng)場(chǎng)型、天線阻抗、電壓駐波比、S參數(shù)等等。

下面以貼片天線設(shè)計(jì)為例介紹一下HFSS在天線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1.需求分析:

貼片天線作為一種價(jià)格低廉且結(jié)構(gòu)緊湊的天線被廣泛應(yīng)用于各種印刷電路板。為了獲得最佳的性能,一般工程上都把貼片天線設(shè)計(jì)成諧振偶極子的形式,偶極矩的長(zhǎng)度要略小于半個(gè)波長(zhǎng)。

2.設(shè)計(jì)過程:

1)設(shè)置求解類型

2)參數(shù)建模

定義對(duì)稱偶極子天線的基本參數(shù)并初始化,如下表:

3)創(chuàng)建貼片偶極子天線的模型:

建好的模型如下圖,可以先建好一個(gè)臂,通過坐標(biāo)軸復(fù)制來實(shí)現(xiàn)另外一個(gè)臂。

4)設(shè)置端口激勵(lì):

天線的饋電點(diǎn)設(shè)置在整個(gè)天線的中心位置,采用集中端口Lump port,具體設(shè)置參考如下。

5)設(shè)置邊界條件:

要在HFSS里面分析天線的對(duì)外輻射場(chǎng),需要將邊界條件設(shè)置為輻射邊界,即Radiating only,輻射邊界距離輻射體的距離不能小于天線波長(zhǎng)的四分之一。如上模型圖。

6)制定激勵(lì)和求解條件:

這里我們需要設(shè)置求解中心頻率,和掃頻范圍,示意圖如下。

7)設(shè)計(jì)檢查及仿真運(yùn)行

在仿真開始前需要對(duì)設(shè)計(jì)的設(shè)置進(jìn)行檢查,以檢查設(shè)計(jì)的正確性和完整性。

3.結(jié)果查看及后處理:

1)結(jié)果后處理:

HFSS的后處理模塊功能非常強(qiáng)大,能夠輸出各種結(jié)果圖形,具體的操作示意如下:

2)查看回波損耗S11:

回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射,是一對(duì)線自身的反射,是天線設(shè)計(jì)需要關(guān)注的參數(shù)之一。

上面的S11圖是天線在2G Hz ~3 G Hz頻段內(nèi)的回波損耗,這個(gè)貼片偶極子天線中心頻率約為2.45G Hz。

3)電壓駐波比VSWR:

電壓駐波比VSWR,是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。

由上圖可以看到該天線在2.45GHz附近時(shí),電壓駐波比約為1.1,說明此處接近行波,傳輸特性比較理想。

4)smith阻抗圓圖:

史密斯圓圖是一種計(jì)算阻抗、反射系數(shù)等參量的簡(jiǎn)便圖解方法。采用雙線性變換,實(shí)部 r=常數(shù)和虛部 x=常數(shù)兩族正交直線變化為正交圓并與反射系數(shù)|G|=常數(shù)和虛部x=常數(shù)套印而成。

上圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部,在中心頻率2.45GHz時(shí),歸一化輸入阻抗為0.998‐j04,折合49.9‐j2,呈弱電容性。

5)輸入阻抗

輸入阻抗是指?jìng)鬏斁€、電子電路等的輸入端口所呈現(xiàn)的阻抗。實(shí)質(zhì)上是個(gè)等效阻抗。只有確定了輸入阻抗,才能進(jìn)行阻抗匹配。

上圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部,在中心頻率2.45GHz時(shí),輸入阻抗約為50‐j2,呈弱電容性。與Smith圓圖的顯示結(jié)果基本一致。

6)XOZ方向圖:

方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示,它可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)的變化關(guān)系。輻射特性有輻射強(qiáng)度、場(chǎng)強(qiáng)、相位和極化。通常討論在遠(yuǎn)場(chǎng)半徑為常數(shù)的大球面上,天線輻射(或接收)的功率或者場(chǎng)強(qiáng)隨位置方向坐標(biāo)的變化規(guī)律,并分別稱為功率方向圖和場(chǎng)方向圖。天線方向圖是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)確定的,所以又叫遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。

由上圖可以看到,電場(chǎng)方向以Z軸為對(duì)稱軸,在XOY平面上電場(chǎng)最強(qiáng),且沿四周均勻輻射。但沿著Z軸方向電場(chǎng)強(qiáng)度很弱,‐10db夾角為‐10~170度。

7)三維增益方向圖:

4.總結(jié):

HFSS的模型前處理操作很方便,利用參數(shù)化建模方法可以快速的搭建仿真模型。此外,新版本的HFSS里面還增加了天線設(shè)計(jì)套件,自帶豐富的天線模型庫,能極大的提高建模效率。在仿真過程中,配合HPC模塊,HFSS可以充分利用計(jì)算機(jī)硬件和網(wǎng)絡(luò)集群優(yōu)勢(shì),在保證仿真精度的同時(shí)大幅提升大陣列天線的仿真速度,縮短仿真周期。在仿真結(jié)果的后處理階段,HFSS利用其強(qiáng)大的后處理能力,能夠根據(jù)用戶的需求,輸出各種用戶需要的場(chǎng)量結(jié)果。正是因?yàn)镠FSS在天線及天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的強(qiáng)大能力和超高的精度,使得HFSS成為了天線和天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的首選工具。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才