教你如何在天線設計上使用HFSS仿真軟體?

HFSS作為業界第一個商業化的三維全波任意結構電磁場仿真工具，可以為天線及其系統設計提供全面的仿真功能：包括設計、優化及天線的性能評估。HFSS能夠精確仿真計算天線的各種電性能，包括二維、三維遠場/近場輻射方向圖、天線增益、軸比、計劃比、半功率波瓣寬度、內部電磁場場型、天線阻抗、電壓駐波比、S參數等等。

下面以貼片天線設計為例介紹一下HFSS在天線設計中的應用。

1.需求分析：

貼片天線作為一種價格低廉且結構緊湊的天線被廣泛應用於各種印刷電路板。為了獲得最佳的性能，一般工程上都把貼片天線設計成諧振偶極子的形式，偶極矩的長度要略小於半個波長。

2.設計過程：

1）設置求解類型

2）參數建模

定義對稱偶極子天線的基本參數並初始化，如下表：

3）創建貼片偶極子天線的模型：

建好的模型如下圖，可以先建好一個臂，通過坐標軸複製來實現另外一個臂。

4）設置埠激勵：

天線的饋電點設置在整個天線的中心位置，採用集中埠Lump port，具體設置參考如下。

5）設置邊界條件：

要在HFSS裡面分析天線的對外輻射場，需要將邊界條件設置為輻射邊界，即Radiating only，輻射邊界距離輻射體的距離不能小於天線波長的四分之一。如上模型圖。

6）制定激勵和求解條件：

這裡我們需要設置求解中心頻率，和掃頻範圍，示意圖如下。

7）設計檢查及仿真運行

在仿真開始前需要對設計的設置進行檢查，以檢查設計的正確性和完整性。

3.結果查看及後處理：

1）結果後處理：

HFSS的後處理模塊功能非常強大，能夠輸出各種結果圖形，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於阻抗不匹配所產生的反射，是一對線自身的反射，是天線設計需要關注的參數之一。

上面的S11圖是天線在2G Hz ~3 G Hz頻段內的回波損耗，這個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，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算阻抗、反射係數等參量的簡便圖解方法。採用雙線性變換，實部r=常數和虛部x＝常數兩族正交直線變化為正交圓並與反射係數|G|=常數和虛部x＝常數套印而成。

上圖中所示的輸入阻抗分別為實部和虛部，在中心頻率2.45GHz時，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

輸入阻抗是指傳輸線、電子電路等的輸入埠所呈現的阻抗。實質上是個等效阻抗。只有確定了輸入阻抗，才能進行阻抗匹配。

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

6）XOZ方向圖：

方向圖是方向性函數的圖形表示，它可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標的變化關係。輻射特性有輻射強度、場強、相位和極化。通常討論在遠場半徑為常數的大球面上，天線輻射（或接收）的功率或者場強隨位置方向坐標的變化規律，並分別稱為功率方向圖和場方向圖。天線方向圖是在遠場區確定的，所以又叫遠場方向圖。

由上圖可以看到，電場方向以Z軸為對稱軸，在XOY平面上電場最強，且沿四周均勻輻射。但沿著Z軸方向電場強度很弱，‐10db夾角為‐10~170度。

7）三維增益方向圖：

4.總結：

HFSS的模型前處理操作很方便，利用參數化建模方法可以快速的搭建仿真模型。此外，新版本的HFSS裡面還增加了天線設計套件，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可以充分利用計算機硬體和網絡集群優勢，在保證仿真精度的同時大幅提升大陣列天線的仿真速度，縮短仿真周期。在仿真結果的後處理階段，HFSS利用其強大的後處理能力，能夠根據用戶的需求，輸出各種用戶需要的場量結果。正是因為HFSS在天線及天線系統設計方面的強大能力和超高的精度，使得HFSS成為了天線和天線系統設計領域的首選工具。

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