Ansoft HFSS在天线设计中的应用(2)

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Maxwell方程有积分和差分两种形式，因此也各有算法相对应。矩量法（MOM）是求解积分方程的一种算法，它通过求得散射体上的电流从而推出整个空间的场，因此它只需在散射体上划分网格。而时域有限差分法（FDTD）和有限元是求解差分方程的算法。它们直接求解整个空间的场从而得到整个空间的场。直接求解整个空间的场？Areyoucrazy?好吧，我承认求解整个空间的场是不可能的，但不代表这种算法只存在于想像中。总有聪明的人想出聪明的办法来，他们人为的在散射体周围放置一种吸收边界，类似于暗室的吸波材料，来波入射到上面就被吸收，因此不会有反射干扰到吸收边界之内的场，由求得的近场则可以推得整个空间的场。

还有一个分支是图上没有表达出来的，那就是时域、频域之分。时域有限差分法顾名思义是时域算法，与之类似的还有CST采用的有限积分法。而矩量法和有限元法则属于频域算法。至于具体的原理就不多说了，我们只要知道时域算法适用于宽频带，而频域算法适用于窄频带就好。

另外，我们还要知道为什么这几种算法为什么称为低频算法。称为低频算法并不意味只能计算很低的频率。这主要是因为这种算法假设工作波长远远大于结构体的尺寸，所以在对结构离散化的时候就不能忽略细节问题，是一种严格的分析方法。而与之对应的高频算法，则是假设工作波长远远小于结构体的尺寸，这样就可以在计算的时候做一些近似。比如一个球面上的散射问题，由于有上面的假设，则可以把球面的某个区域等效为一个平面来求解。

既然是讲HFSS的，那我们还是主要来了解一下有限元这种算法的几个主要术语吧。

FEM－finiteelementmethod有限元;Element－单元指有限元法中对整体问题细分后的小个体。HFSS中采

用”tetrahedral”（四面体）elements;

Meshing－网格剖分，即对求解空间细分、然后定义所有四面体单元顶点位置的过

程。我们必须给予HFSS的自适应网格剖分技术充分的肯定。我认为在电磁仿真软件中最重要的不是算法，而是网格剖分。模型易建，算法成熟，直接决定最后的计算精度的是网格对模型离散化的效果。可以把网格看作模型和算法之间的桥梁，它使算法得以实用化，而不是只存在于文献中的大量让人头痛的公式。HFSS初始网格（将几何子分为四面体单元）的产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格可以快速解计算并提供场解信息，以区分出高场强或大梯度的场分布区域。然后只在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确

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度。必要时还可方便地使用人工网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案。在大部分应用里HFSS的自动网格剖分表现相当优异，它的这种技术是独有的。目前其他商业软件的网格剖分大部分采用手动剖分，在判断收敛方面还存在一定问题。

Matrix－矩阵，HFSS用矩阵方程来对目标的电磁特性进行求解。

1.3HFSS设计流程

图2HFSS设计流程图1.4初始设计

任务书做为我们的设计依据有时会指明所需要的天线类型，但大多时候需要我们根据任

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务书中电性能的要求选择天线的类型。这些电性能指标包括中心频率、工作带宽、极化、增益、驻波系数等等，另外根据使用需要会对天线的方向图形状有一定要求，比如会特别指明天线的低仰角增益、波瓣宽度或者副瓣电平。另外我们还必须考虑所选天线类型的尺寸、重量、功率容量、接口类型、可靠性、工作环境等是否满足任务书的要求。

在选择天线类型的过程中，我们会对任务书的指标进行核对。有时根据已有的经验，有时则是做简单的计算。比如在卫星定位天线中经常要求天线仰角10°的增益大于某个值，通常这种天线采用微带天线的形式，仰角10°增益宜为≥-4.5dB。另外我们还经常根据天线尺寸进行增益的计算，计算公式如下：

4πA G=10log 2η λ

其中，G为天线增益，单位dB,A为天线的面积，λ为自由空间的工作波长，η为天线效率。天线效率需要根据具体天线形式而定。

一旦选定了天线的类型，我们便根据这种天线的设计原则确定天线的一些具体细节，比如微带天线的贴片尺寸、馈电点位置、基板介电常数等等，然后进行建模仿真。

1.5求解问题类型

图3求解问题类型

HFSS的所有问题分为三大类：驱动模式(DrivenModal)、终端驱动（DrivenTerminal）和本征模（Eigenmode）。

驱动模式：用于一般的需要激励源或者有辐射产生的问题，适用于几乎所有除谐振腔以外的问题；

终端驱动：这种模式将计算传输线终端的S参数。这时S参数模型将用来描述传输线终端的电压和电流.

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本征模：为本征问题求解，主要用于分析谐振腔的谐振问题，不需要激励源，也不需要定义端口，更不会产生辐射（封闭结构）。

第二章边界条件（boundary）

2.1边界条件类型

2.2理想电场边界（PerfectE）

图4理想导体边界设置

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理想电场边界实际上就是理想电导体表面，它强制其表面切向电场为零,因而只存在垂直电场分量，如图5所示。它可以用来表示金属表面、地板以及腔体的壁等。另外，如果某立体对象被赋以“理想电导体（perfectconductor）”材料，则其每个面都会被自动设置成理想电场边界条件。

InfiniteGroundplane选项表示是否考虑无限大地板的影响。

垂直电场分量

图5理想电场边界表面电场

2.3理想磁场边界（PerfectHBoundary）

图6理想磁场边界设置

理想磁场边界代表理想磁导体表面，它与理想电场边界相反，强制电场与其表面相切，而垂直分量为零，如图7所示。实际上理想磁导体并不存在，但该边界条件却给建模带来

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若干便利。

切向电场分量

图7理想磁场边界表面电场

当理想磁场边界覆盖于其他边界(比如PerfectE)之上时会产生另一种边界条件，谓之“自然边界（naturalboundary）”，如图8，自然边界会将此处的理想电场边界删除，允许但不

强制此处存在切向电场分量，相当于在原边界上打开一扇天窗。

电场

图8自然边界表面电场

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2.4有限电导边界（FiniteConductivityBoundary）

图9有限电导边界设置

有限电导边界是一种有耗电导体边界，一般用于非理想导体仿真。如同理想电场边界一样，它强制电场垂直于其表面，同时也把表面损耗考虑在内，表面电场如图11所示。电导率（Conductivity单位：siemens/meter）和相对磁导率（Relativepermeability）可以通过文本框直接设置，也可以通过“usematerial”选项选择材料进行设置。如果想在后处理计算场时将无限大地板影响考虑在内的话，那就选择“infinitegroundplane”。在高级选项中，还可以设置表面的粗糙度（”surfacerounghness”）以及厚度(“layerthickness”)，如图9所示。

另外，当把某立体对象的材料设为非理想金属（比如铝、铜）且只需要求解表面（solvesuface）时，有限电导边界会自动应用于该对象的外表面。

电场垂直且衰减

图10有限电导边界表面电场

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2.5阻抗边界（ImpedanceBoudary）

图11阻抗边界设置

通过阻抗边界可以直 …… 此处隐藏：2971字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……