發(fā)布時(shí)間:2021-12-28作者來(lái)源:金航標(biāo)瀏覽:5173
學(xué)個(gè)Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主,理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專欄,包括天線入門知識(shí)以及各類天線的原理簡(jiǎn)介、仿真軟件建模、設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問(wèn)題,可以在文尾寫下留言。
01、簡(jiǎn)單介紹
HFSS里內(nèi)置的求解算法目前有:有限元算法(FEM),積分方程算法(IE),高頻算法(SBR+ Solver), 混合算法(FEBI,IE-Region),域分解算法(DDM,F(xiàn)A-DDM),時(shí)域算法(Transient),特征模算法(CMA),本征模求解器(Eigenmode solver)等 https://zhuanlan.zhihu.com/p/113897875
大部分人其實(shí)仿真簡(jiǎn)單的天線和濾波器等,使用HFSS的有限元算法和軟件自身的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分和加密技術(shù),設(shè)置好收斂的Max Mag Delta S(默認(rèn)0.02)就足以滿足其仿真需求。
對(duì)于軟件的使用和其他算法求解器的設(shè)置這里就不做過(guò)多贅述了。
CST恰恰彌補(bǔ)了HFSS仿真超寬帶的短板,但是它在小尺寸、圓形等結(jié)構(gòu)上的仿真精度不高。如下圖所示,HFSS在邊緣部分特別是圓形結(jié)構(gòu)附件的三角網(wǎng)格剖分的特別細(xì)膩,而CST的六面體網(wǎng)格的剖分過(guò)于規(guī)整。
雖然縫隙和圓形等結(jié)構(gòu)附近的剖分雖然可以采用CST的局部網(wǎng)格加密Local Mesh等,但初學(xué)者可能還是HFSS的傻瓜式自適應(yīng)剖分比較人性化。
CST軟件采用了電磁場(chǎng)全波時(shí)域仿真算法―有限積分法(FIT),對(duì)麥克斯韋積分方程進(jìn)行離散化并迭代求解。由于其所采用的時(shí)域算法FIT,只須一步步迭代求解,不用進(jìn)行矩陣求逆。此內(nèi)在特性決定了,其適合的仿真結(jié)構(gòu)涵蓋電小、電中和電大,均可取得良好的表現(xiàn)。體矩量法、有限元法和有限積分法三者的計(jì)算量(體現(xiàn)在CPU 時(shí)間和所需內(nèi)存)分別正比于所分網(wǎng)格數(shù)N的3次、2次和1.1~1.2次方,可以看出有限積分法對(duì)于算力的要求要低于HFSS的有限元法。
對(duì)于CST軟件,大家常用的也是Time Domain Solver,除此之外,它還有頻域求解器、本征模求解器、積分方程法、漸進(jìn)計(jì)算、多層介質(zhì)算法。
下一節(jié)我們會(huì)對(duì)兩種軟件的進(jìn)行仿真精度對(duì)比,主要是看HFSS的FEM+自動(dòng)網(wǎng)格剖分加密仿真和CST的Time Domain Solver和Frequency Domain Solver。
常見(jiàn)的矩形貼片天線的饋電方式有側(cè)饋電和背饋式等,本次推文采用背饋電式進(jìn)行仿真分析。
先選定基板為0.762mm厚度的Rogers4350B,諧振頻率為5.8GHz。(左右滑動(dòng)可看完整公式)
經(jīng)過(guò)上面公式計(jì)算可得貼片天線的寬度和長(zhǎng)度分別為16.9mm和13.3mm。
clear;clc;path = mfilename('fullpath');i=strfind(path,'');path=path(1:i(end));cd(path);addpath(genpath(strcat(path,'hfssapi-by-Jianhui Huang')));try % 填寫路徑 % tmpPrjFile:生成的aedt或者h(yuǎn)fss(安裝hfss15以下的后綴名為.hfss)項(xiàng)目文件的路徑名 % tmpScriptFile:生成的vbs腳本文件的路徑名 tmpPrjFile = 'F:vbsScriptPatch_Probe_Feed.aedt'; tmpScriptFile = 'F:vbsScriptauto_code.vbs'; % hfssExePath:HFSS軟件的路徑 hfssExePath = 'D:softwareHFSS15AnsysEM18.2Win64ansysedt.exe'; % 創(chuàng)建一個(gè)可讀寫vbs腳本文件. fid = fopen(tmpScriptFile, 'wt'); %創(chuàng)建一個(gè)新的HFSS項(xiàng)目并[敏感詞]一個(gè)新的設(shè)計(jì)文件. hfssNewProject(fid); Design_name='element'; hfssInsertDesign(fid, Design_name); Patch_W=16.9;Patch_L=13.3; Sub_W=35;Sub_L=30;Sub_H=0.762;copper_H=0.035; Probe_dy=-4;Probe_dx=0; Inner_R=0.5;Diel_R=exp(50/60*sqrt(1))*Inner_R;Outer_R=1.5;L0=2; % hfssVariableInsert(fid,DesignName,variableName, value, units,flag) hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Patch_W', Patch_W, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Patch_L', Patch_L, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Sub_W', Sub_W, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Sub_L', Sub_L, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Sub_H', Sub_H, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'copper_H', copper_H, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Probe_dx', Probe_dx, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Probe_dy', Probe_dy, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'L0', L0, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Inner_R', Inner_R, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Diel_R', 'exp(50/60*sqrt(1))*Inner_R', 'mm',2); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Outer_R', Outer_R, 'mm',1); % 畫基板 % hfssBox(fid, BoxName, Start, Size, Units, Color, Material, Transparency, flag) hfssBox(fid, 'Sub1', {'-Sub_W/2', '-Sub_L/2', '0mm'}, {'Sub_W', 'Sub_L', 'Sub_H'}, 'mm',... "(0 128 128)", "Rogers RO4350 (tm)", 0, 2); % 畫貼片 hfssBox(fid, 'Patch', {'-Patch_W/2', '-Patch_L/2', 'Sub_H'}, {'Patch_W', 'Patch_L', 'copper_H'}, 'mm',... "(255 128 0)", "copper", 0, 2); % 畫GND hfssBox(fid, 'GND', {'-Sub_W/2', '-Sub_L/2', '0mm'}, {'Sub_W', 'Sub_L', '-copper_H'}, 'mm',... "(128 128 128)", "copper", 0, 2); % 畫同軸部分 % 畫同軸內(nèi)芯 % hfssCylinder(fid, CylinderName, Axis, Center, Radius, Height, Units, Color, Material, Transparency, flag) hfssCylinder(fid, 'Inner', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', 'Sub_H+copper_H'}, 'Inner_R','-(Sub_H+copper_H*2+L0)', 'mm',... "(128 128 128)", "copper", 0, 2); hfssCylinder(fid, 'Diel', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '-copper_H'}, 'Diel_R','-L0', 'mm',... "(0 128 128)", "vacuum", 0, 2); hfssCylinder(fid, 'Outer', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '-copper_H'}, 'Outer_R','-L0', 'mm',... "(128 128 128)", "copper", 0, 2); % 地板開(kāi)過(guò)孔 hfssCylinder(fid, 'GND_hole', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '0mm'}, 'Diel_R','-copper_H', 'mm',... "(255 128 0)", "vacuum", 0, 2); % 布爾操作 hfssSubtract(fid, {'Outer'}, {'Diel'}, true); hfssSubtract(fid, {'Sub1','Patch','Diel'}, {'Inner'}, true); hfssSubtract(fid, {'GND'}, {'GND_hole'}, false); % 保存項(xiàng)目文件到指定路徑 hfssSaveProject(fid, tmpPrjFile,1); % Close the HFSS Script File. fclose(fid); disp('vbs腳本已生成!');catch disp('程序出現(xiàn)異常!'); fclose(fid);end
建模完成后,自行添加Region,設(shè)置Radiation邊界條件和Analysis的Setup,即可進(jìn)行仿真(后續(xù)boundary和analysis同步上來(lái)后可以在腳本中就建立好)。
Analysis設(shè)置
此時(shí)仿真結(jié)果可以看出天線諧振頻率偏向低頻,且輸入阻抗偏離50歐姆。
這時(shí)候有人肯定就會(huì)說(shuō),調(diào)天線就是玄學(xué),這么多變量我怎么知道調(diào)節(jié)哪些變量,變量調(diào)成多少合適,難道直接用Optimization? 其實(shí)了解過(guò)貼片天線相關(guān)原理的就曉得,這時(shí)候,只需要調(diào)節(jié)天線的長(zhǎng)度和饋電偏離中心的位置即可,前者影響諧振頻率,后者影響天線的匹配。
話不多說(shuō)直接上圖,可以看出當(dāng)饋電點(diǎn)位置偏離貼片天線中心2.5mm時(shí),其阻抗匹配較優(yōu)。
不過(guò)此時(shí)天線的諧振頻率還偏向低頻5.6GHz,因此適當(dāng)縮短天線長(zhǎng)度即可完成5.8GHz背饋式貼片天線的設(shè)置。
矩形貼片天線長(zhǎng)度掃參結(jié)果
在HFSS上方菜單欄選擇Modeler->Export,保存為step格式。
然后打開(kāi)CST在Export下選擇導(dǎo)入上面的STEP文件,并刪除Region等無(wú)關(guān)模型,設(shè)置好材料屬性和邊界條件。
采用時(shí)域求解器和默認(rèn)的網(wǎng)格剖分設(shè)置,仿真的諧振頻率在5.759GHz,與HFSS仿真結(jié)果相差40MHz。
CST時(shí)域Meshproperties和S11結(jié)果
直接將上述模型的求解器改為頻域求解器并按下圖設(shè)置網(wǎng)格剖分,仿真的諧振頻率在5.825GHz,與HFSS仿真結(jié)果相差25MHz左右,已經(jīng)很接近了。
CST頻域Meshproperties和S11結(jié)果
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hfssapi-by-Jianhui Huang
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