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贴片天线的HFSS和CST仿真对比

发布时间:2021-12-28作者来源:金航标浏览:592

学个Antenna是以天线仿真和调试为主,理论原理为辅的干货天线技术专栏,包括天线入门知识以及各类天线的原理简介、仿真软件建模、设计、调试过程及思路。如有想看到的内容或技术问题,可以在文尾写下留言。五五世纪



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01、简单介绍


     
HFSS里内置的求解算法目前有:有限元算法(FEM),积分方程算法(IE),高频算法(SBR+ Solver), 混合算法(FEBI,IE-Region),域分解算法(DDM,FA-DDM),时域算法(Transient),特征模算法(CMA),本征模求解器(Eigenmode solver)等  
http://zhuanlan.zhihu.com/p/113897875  

大部分人其实仿真简单的天线和滤波器等,使用HFSS的有限元算法和软件自身的自适应网格剖分和加密技术,设置好收敛的Max Mag Delta S(默认0.02)就足以满足其仿真需求。



对于软件的使用和其他算法求解器的设置这里就不做过多赘述了。

大部分工程师在使用HFSS软件时都会发现,其对电脑的配置要求较高,尤其是内存。而且电大尺寸、超宽带的仿真要求的算力更是难以满足。

CST恰恰弥补了HFSS仿真超宽带的短板,但是它在小尺寸、圆形等结构上的仿真精度不高。如下图所示,HFSS在边缘部分特别是圆形结构附件的三角网格剖分的特别细腻,而CST的六面体网格的剖分过于规整。



虽然缝隙和圆形等结构附近的剖分虽然可以采用CST的局部网格加密Local Mesh等,但初学者可能还是HFSS的傻瓜式自适应剖分比较人性化。

CST软件采用了电磁场全波时域仿真算法―有限积分法(FIT),对麦克斯韦积分方程进行离散化并迭代求解。由于其所采用的时域算法FIT,只须一步步迭代求解,不用进行矩阵求逆。此内在特性决定了,其适合的仿真结构涵盖电小、电中和电大,均可取得良好的表现。体矩量法、有限元法和有限积分法三者的计算量(体现在CPU 时间和所需内存)分别正比于所分网格数N的3次、2次和1.1~1.2次方,可以看出有限积分法对于算力的要求要低于HFSS的有限元法。  

对于CST软件,大家常用的也是Time Domain Solver,除此之外,它还有频域求解器、本征模求解器、积分方程法、渐进计算、多层介质算法。



下一节我们会对两种软件的进行仿真精度对比,主要是看HFSS的FEM+自动网格剖分加密仿真和CST的Time Domain Solver和Frequency Domain Solver。


0 2脚本构建背馈式贴片天线    

     

常见的矩形贴片天线的馈电方式有侧馈电和背馈式等,本次推文采用背馈电式进行仿真分析。





先选定基板为0.762mm厚度的Rogers4350B,谐振频率为5.8GHz。(左右滑动可看完整公式)

经过上面公式计算可得贴片天线的宽度和长度分别为16.9mm和13.3mm。


经过上两次推文  HFSS-API入门第一弹:画个Box    HFSS-API入门第二弹:基本形状和操作  的教学,现在可以直接撸一个背馈式贴片天线的HFSS vbs脚本(下载链接见文末,examples文件夹内):


clear;clc;path = mfilename('fullpath');i=strfind(path,'');path=path(1:i(end));cd(path);addpath(genpath(strcat(path,'hfssapi-by-Jianhui Huang')));try    % 填写路径    % tmpPrjFile:生成的aedt或者hfss(安装hfss15以下的后缀名为.hfss)项目文件的路径名    % tmpScriptFile:生成的vbs脚本文件的路径名    tmpPrjFile = 'F:vbsScriptPatch_Probe_Feed.aedt';    tmpScriptFile = 'F:vbsScriptauto_code.vbs';    % hfssExePath:HFSS软件的路径    hfssExePath = 'D:softwareHFSS15AnsysEM18.2Win64ansysedt.exe';    % 创建一个可读写vbs脚本文件.    fid = fopen(tmpScriptFile, 'wt');    %创建一个新的HFSS项目并插入一个新的设计文件.    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);     % 画基板    % 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);    % 画贴片    hfssBox(fid, 'Patch', {'-Patch_W/2', '-Patch_L/2', 'Sub_H'}, {'Patch_W', 'Patch_L', 'copper_H'}, 'mm',...        "(255 128 0)", "copper", 0, 2);    % 画GND    hfssBox(fid, 'GND', {'-Sub_W/2', '-Sub_L/2', '0mm'}, {'Sub_W', 'Sub_L', '-copper_H'}, 'mm',...        "(128 128 128)", "copper", 0, 2);     % 画同轴部分    % 画同轴内芯    % 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);     % 地板开过孔    hfssCylinder(fid, 'GND_hole', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '0mm'}, 'Diel_R','-copper_H', 'mm',...       "(255 128 0)", "vacuum", 0, 2);    % 布尔操作    hfssSubtract(fid, {'Outer'}, {'Diel'}, true);    hfssSubtract(fid, {'Sub1','Patch','Diel'}, {'Inner'}, true);    hfssSubtract(fid, {'GND'}, {'GND_hole'}, false);    % 保存项目文件到指定路径    hfssSaveProject(fid, tmpPrjFile,1);    % Close the HFSS Script File.    fclose(fid);    disp('vbs脚本已生成!');catch    disp('程序出现异常!');    fclose(fid);end


上面的代码按个人情况按图索骥地修改tmpPrjFile,tmpScriptFile ,hfssExePath这几个路径和Design_name,将编写的MATLAB生成vbs脚本的.m文件与下载的hfssapi-by-Jianhui Huang放在同一个总文件夹内,点击运行即可生成vbs脚本(在自行赋值的tmpScriptFile的这个路径下)。vbs脚本可以直接点击运行,或者在HFSS软件中Run Script。

建模完成后,自行添加Region,设置Radiation边界条件和Analysis的Setup,即可进行仿真(后续boundary和analysis同步上来后可以在脚本中就建立好)。


Analysis设置

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此时仿真结果可以看出天线谐振频率偏向低频,且输入阻抗偏离50欧姆。



这时候有人肯定就会说,调天线就是玄学,这么多变量我怎么知道调节哪些变量,变量调成多少合适,难道直接用Optimization? 其实了解过贴片天线相关原理的就晓得,这时候,只需要调节天线的长度和馈电偏离中心的位置即可,前者影响谐振频率,后者影响天线的匹配。

话不多说直接上图,可以看出当馈电点位置偏离贴片天线中心2.5mm时,其阻抗匹配较优。




不过此时天线的谐振频率还偏向低频5.6GHz,因此适当缩短天线长度即可完成5.8GHz背馈式贴片天线的设置。



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矩形贴片天线长度扫参结果


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0 3CST和HFSS仿真结果对比    

     

在HFSS上方菜单栏选择Modeler->Export,保存为step格式。

然后打开CST在Export下选择导入上面的STEP文件,并删除Region等无关模型,设置好材料属性和边界条件。

采用时域求解器和默认的网格剖分设置,仿真的谐振频率在5.759GHz,与HFSS仿真结果相差40MHz。


CST时域Meshproperties和S11结果五五世纪


直接将上述模型的求解器改为频域求解器并按下图设置网格剖分,仿真的谐振频率在5.825GHz,与HFSS仿真结果相差25MHz左右,已经很接近了。



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CST频域Meshproperties和S11结果五五世纪



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总体来说,电小尺寸的微带贴片天线在HFSS的FEM+自动网格剖分加密仿真和CST的时域和频域求解器下,仿真结果差异可以接受。毕竟天线设计属于工科范畴,实际还要考虑加工、焊接容差等,所以还是需要打几次PCB板进行测试分析、调试优化,死磕这点仿真差异并没有啥意义。


基础性地写代码编注释,建模仿真还是挺费时间和精力的,希望大家多点赞分享!


代码分享区

hfssapi-by-Jianhui Huang

下载链接(后续代码持续在下面链接更新):

http://pan.baidu.com/s/1N0EE3Uv7krkypfzi9vxCvg

提取码:o5p5

代码已封装好打包为p文件不可修改,每次重新下载覆盖,按函数注释进行掉包即可!



注释事项:MATLAB生成vbs脚本的.m文件与hfssapi-by-Jianhui Huang放在同一个总文件夹内。不要在examples文件夹内运行.m文件!



“Kinghelm”商标由金航标公司原始注册,金航标是GPS天线北斗天线研发生产直销厂家,在北斗GPS导航定位行业非常高的知名度和美誉度,研发生产产品广泛应用于bds卫星导航定位无线通信等领域。主要产品包括:RJ45-RJ45网络,网络接口连接器、射频连接器转接线、同轴线缆连接器、type-c连接器、hdmi接口type-c接口、排针排母、SMA、fpc、FFC天线连接器、天线信号传输防水接头、hdmi接口、usb连接器、端子端子线、端子板接线端子、接线端子排、射频rfid标签、定位导航天线、通讯天线天线连接线、胶棒天线吸盘天线、433天线4G天线,GPS模块天线等。广泛应用于航天航空、通信、军工、仪器仪表和安防、医疗等行业。


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