HFSS在天线设计上的应用

  HFSS作为业界第一个商业化的三维全波任意结构电磁场仿真工具，可以为天线及其系统设计提供全面的仿真功能：包括设计、优化及天线的性能评估。HFSS能够精确仿真计算天线的各种电性能，包括二维、三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、计划比、半功率波瓣宽度、内部电磁场场型、天线阻抗、电压驻波比、S参数等等。

下面以贴片天线设计为例介绍一下HFSS在天线设计中的应用。

1.需求分析：

  贴片天线作为一种价格低廉且结构紧凑的天线被广泛应用于各种印刷电路板。为了获得最佳的性能，一般工程上都把贴片天线设计成谐振偶极子的形式，偶极矩的长度要略小于半个波长。

2.设计过程：

1）设置求解类型

2）参数建模

  定义对称偶极子天线的基本参数并初始化，如下表：

3）创建贴片偶极子天线的模型：

  建好的模型如下图，可以先建好一个臂，通过坐标轴复制来实现另外一个臂。

4）设置端口激励：

  天线的馈电点设置在整个天线的中心位置，采用集中端口Lump port，具体设置参考如下。

5）设置边界条件：

  要在HFSS里面分析天线的对外辐射场，需要将边界条件设置为辐射边界，即Radiating only，辐射边界距离辐射体的距离不能小于天线波长的四分之一。如上模型图。

6）制定激励和求解条件：

  这里我们需要设置求解中心频率，和扫频范围，示意图如下。

7）设计检查及仿真运行

  在仿真开始前需要对设计的设置进行检查，以检查设计的正确性和完整性。

3.结果查看及后处理：

1）结果后处理：

  HFSS的后处理模块功能非常强大，能够输出各种结果图形，具体的操作示意如下：

2）查看回波损耗S11：

  回波损耗回波损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射，是天线设计需要关注的参数之一。

  上面的S11图是天线在2G Hz ~3 G Hz频段内的回波损耗，这个贴片偶极子天线中心频率约为2.45G Hz。

3）电压驻波比VSWR：

  电压驻波比VSWR,是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。

由上图可以看到该天线在2.45GHz附近时，电压驻波比约为1.1，说明此处接近行波，传输特性比较理想。

4）smith阻抗圆图：

  史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简便图解方法。采用双线性变换，实部r=常数和虚部x＝常数两族正交直线变化为正交圆并与反射系数|G|=常数和虚部x＝常数套印而成。

上图中所示的输入阻抗分别为实部和虚部，在中心频率2.45GHz时，归一化输入阻抗为0.998‐j04,折合49.9‐j2，呈弱电容性。

5）输入阻抗

  输入阻抗是指传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质上是个等效阻抗。只有确定了输入阻抗，才能进行阻抗匹配。

上图中所示的输入阻抗分别为实部和虚部，在中心频率2.45GHz时，输入阻抗约为50‐j2，呈弱电容性。与Smith圆图的显示结果基本一致。

6）XOZ方向图：

  方向图是方向性函数的图形表示，它可以形象描绘天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系。辐射特性有辐射强度、场强、相位和极化。通常讨论在远场半径为常数的大球面上，天线辐射（或接收）的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律，并分别称为功率方向图和场方向图。天线方向图是在远场区确定的，所以又叫远场方向图。

由上图可以看到，电场方向以Z轴为对称轴，在XOY平面上电场最强，且沿四周均匀辐射。但沿着Z轴方向电场强度很弱，‐10db夹角为‐10~170度。

7）三维增益方向图：

4.总结：

  HFSS的模型前处理操作很方便，利用参数化建模方法可以快速的搭建仿真模型。此外，新版本的HFSS里面还增加了天线设计套件，自带丰富的天线模型库，能极大的提高建模效率。在仿真过程中，配合HPC模块，HFSS可以充分利用计算机硬件和网络集群优势，在保证仿真精度的同时大幅提升大阵列天线的仿真速度，缩短仿真周期。在仿真结果的后处理阶段，HFSS利用其强大的后处理能力，能够根据用户的需求，输出各种用户需要的场量结果。正是因为HFSS在天线及天线系统设计方面的强大能力和超高的精度，使得HFSS成为了天线和天线系统设计领域的首选工具。