Ansoft HFSS在天线设计中的应用

雷达天线方面的文章。

Ansoft培训班教材

AnsoftHFSS在天线设计中的应用

史永康编写

ykshi@

研发二室2008.9

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第一章

第二章

第三章

第四章

第五章

第六章序言HFSS概述边界条件激励分析设置标准化建模

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经典的Maxwell方程从诞生到现在的一百多年间，还没有出现更伟大的理论成果。与电磁场打交道的前辈们所做的工作都是在这四个方程的框架下进行的，这其中包括电磁场数值算法。随着计算机技术的发展，电磁场数值算法的应用范围越来越广，受关注的程度也越来越高，其解决问题能力也越来越强。开始的时候，人们都是为了解决特定了问题而自己动手编写程序数值计算程序，这样会花很多时间，而且结果正确与否还有待验证。对于工程设计人员来说，这个过程是极其痛苦的，它额外要求我们成为一个程序员甚至计算机专家。直到仿真软件的出现，我们才得以真正的解脱，它不仅把我们从繁复的编程工作中拯救出来，而且还大大减少了测试和调试的工作量，让我们把大部分精力集中到如何提高天线性能上去。这样看来，仿真软件之于天线设计的重要性就如同人类学会使用工具一样，它的出现是划时代的。至少我们要感谢它改善了天线设计人员的工作环境。如果没有它，你可能现在正在一间黑屋子（简称暗室）里反复调试测试，然后是再加工，再调试测试，重复很多次以后满头大汗、精疲力竭的你才可以得到一个满足指标要求的天线，而不是现在坐在这里听我喋喋不休。

因此，没有任何理由让我们的设计工作脱离仿真软件，即使你真的具有超强的理论基础和无与伦比的编程能力。时间对我们来说是一个奢侈品。

现在市面上已经有很多商业的电磁仿真软件，每种软件都与特定的电磁场数值算法相关。这些算法大致可分为两类，一类是低频算法（全波分析），这是严格的计算方法，主要包括有限元算法（FEM）、矩量法（MOM）、时域有限差分法（FDTD）以及有限积分法（FI）；另一类是高频算法，这是做了很多近似的计算方法，主要包括几何光学法（GO）、几何绕射理论（GTD）、一致性绕射理论（UTD）、物理光学法（PO）、物理绕射理论（PTD）等等。比较著名的几个软件及其对应的算法如表一所示。

表一几种电磁仿真软件及其对应的算法HFSSCSTFEKO

MOM，GO，

GO，UTD，PO，

FEMFIUTD，PO，PTD

及混合算法

其中Ansoft公司的HFSS(HighFrequencyStructureSimulator/高频结构仿真软件)是最早FDTDPTDXFDTDGRASP

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也是最为出色的一个软件。这个软件已几乎成为行业标准，它的仿真结果可以代替测试结果出现在某某项目的方案论证证甚至招标文件中，同样具有说服力。做为天线设计人员你说你不会使用CST和FEKO不会招人非议，但如果你说你不会使用HFSS，那你必须首先自己感到脸红。

Ansoft已经替我们做了大多数纯理论研究并将这些研究成果用HFSS这个软件表达出来，这是一个很了不起的工作。重复Ansoft的工作如同你一天吃两顿午饭一样没有必要，除非你第一顿没有吃饱。只有在Ansoft无能为力的一些领域允许我们自行做一些事情，当然这样的机会很少。

如果仿真得到了一个与理论相悖的结果，我们首先想到的是自己建模方面出了问题，而不是置疑HFSS计算的准确性。我们给予HFSS完全的信任，它也很少辜负我们的信任。个别情况下它也会出错，这个时候你应该感到开心，因为终于有你发挥的余地了。

我们如此推崇HFSS这个软件，而不是别的什么软件，主要有三个方面的原因，一个是它的准确性，计算准确与否才是判断仿真软件优劣的最基本的依据。在我们目前的大部分应用里这个软件表现是非常出色的。第二个是它的全面性，它几乎可以仿真任意三维结构的天线，也就是说没有它不能仿的。第三个是它的成熟性，做为一个老牌商业电磁场仿真软件，它经历了近二十几年（1989~）的发展，根据用户的建议不断完善以及自身算法的不断改进，现在已经日趋完美。无论从界面的友好性、建模的方便性还是后处理的直观性都让用户感觉非常舒服，更重要的一点是，它可以从仿真结果中提取任意的你想要的数据以帮助你更快更好地完成天线的设计，这些数据不是简单的驻波或者方向图结果，而是反映天线物理本质的一些参数，通过这些参数你可以对天线的本质理解的更为深刻。举个简单的例子，我们都知道驻波表现的是天线的阻抗特性，因此我们在进行驻波调试的依据应该是阻抗圆图而不是那条驻波曲线。认清天线性能后面的物理本质对于天线设计来说是非常重要的。

好吧，说到现在好像我在进行HFSS的推销，为了消除这种误解，我们必须也说一下HFSS的一些不足。首先由于算法本身的原因，这个软件对于电大尺寸天线的仿真显得有点捉襟见肘。我认为电大尺寸这个说法是相对于计算机硬件而言的，当我们计算机的最大内存只有2G的时候我们可能认为电尺寸十几个波长的天线就是电大尺寸了，而当我们拥有了内存16G的计算机，只有电尺寸在100个波长以上的天线才有资格划到电大尺寸天线的行列里面。只要计算机硬件足够强大，理论上HFSS是可以计算任意尺寸的天线的。计算时间是另外一回事儿，它需要依赖于CPU的运算速度。当然，以上是很理想的一种说法，我们需

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要正视现实。如果有人想在办公室里利用HFSS计算电尺寸几百个波长的天线，那么劝他还是要趁早打消这个念头，因为在当前计算机发展水平下，这是不可能完成之任务，需要借助于采用其他算法的电磁仿真软件或者寻求某些计算中心的帮助。如果计算机硬件能够升级从而使得HFSS拥有解决当前问题能力，那么我们很乐意采用这种方式来支持HFSS，这样虽然会牺牲一点仿真时间，但带来的好处是很多的。

第二是宽频带天线。HFSS采用的理论基础是有限元方法(FEM)，这是一种微分方程法，其解是频域的。所以，HFSS如果想获得频域的解，它必须通过频域转换到时域。由于，HFSS是用的是微分方法，所以它对复杂结构的计算具有一定的优势。

是的，HFSS对我们的帮助是如此之大，以至于我们不敢想像失去它我们将怎么开展工作。即便如此，也不要忘记，在天线设计过程中，起主导作用的永远是人，而不是软件。HFSS只是一个分析软件，它的作用仅限于将工程师的想法进行验证。它虽然帮我们做了很多数值计算方面的工作，简化了我们的设计过程，但一个天线性能的优劣仅仅取决于工程师对这个天线的理解程度，而不是其他。同样一把剑握在不同人的手里就会发挥出不一样的威力、做出不一样的事情，HFSS也一样。如果想充分发挥它的作用，需要设计人员具有清晰的物理概念、大量的设计经验、丰富的想像力还有足够的耐心。

还有一点需要明确的是，软件永远不可能复制现实。你在软件里看到的模型只是理想化的现实，做为一名工程设计人员，你必须清楚理想和现实的差距在哪里，并想办法补偿这些差距。我们的工作不仅限于一个好的仿真结果，最终产品的测试结果才是我们成绩的体现，所以，我们还必须考虑加工材料、加工工差以及工作环境这些现实问题，从某种意义上来说，这些问题更为重要。

在座的每个人都想成为高手，我也一样。高手都是在不停切磋中产生的。正好利用今天这个机会跟大家交流一下自己的想法，分享一下自己的心得。因为水平有限，所以如果有什么错误希望大家及时批评指正，这就可以达到相互学习的 …… 此处隐藏：3227字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……