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貼片天線的HFSS和CST仿真對比

發布時間:2021-12-28作者來源:金航標瀏覽:4865

學個Antenna是以天線仿真和調試為主,理論原理為輔的干貨天線技術專欄,包括天線入門知識以及各類天線的原理簡介、仿真軟件建模、設計、調試過程及思路。如有想看到的內容或技術問題,可以在文尾寫下留言。





01、簡單介紹


     
HFSS里內置的求解算法目前有:有限元算法(FEM),積分方程算法(IE),高頻算法(SBR+ Solver), 混合算法(FEBI,IE-Region),域分解算法(DDM,FA-DDM),時域算法(Transient),特征模算法(CMA),本征模求解器(Eigenmode solver)等  
https://zhuanlan.zhihu.com/p/113897875  

大部分人其實仿真簡單的天線和濾波器等,使用HFSS的有限元算法和軟件自身的自適應網格剖分和加密技術,設置好收斂的Max Mag Delta S(默認0.02)就足以滿足其仿真需求。



對于軟件的使用和其他算法求解器的設置這里就不做過多贅述了。

大部分工程師在使用HFSS軟件時都會發現,其對電腦的配置要求較高,尤其是內存。而且電大尺寸、超寬帶的仿真要求的算力更是難以滿足。

CST恰恰彌補了HFSS仿真超寬帶的短板,但是它在小尺寸、圓形等結構上的仿真精度不高。如下圖所示,HFSS在邊緣部分特別是圓形結構附件的三角網格剖分的特別細膩,而CST的六面體網格的剖分過于規整。



雖然縫隙和圓形等結構附近的剖分雖然可以采用CST的局部網格加密Local Mesh等,但初學者可能還是HFSS的傻瓜式自適應剖分比較人性化。

CST軟件采用了電磁場全波時域仿真算法―有限積分法(FIT),對麥克斯韋積分方程進行離散化并迭代求解。由于其所采用的時域算法FIT,只須一步步迭代求解,不用進行矩陣求逆。此內在特性決定了,其適合的仿真結構涵蓋電小、電中和電大,均可取得良好的表現。體矩量法、有限元法和有限積分法三者的計算量(體現在CPU 時間和所需內存)分別正比于所分網格數N的3次、2次和1.1~1.2次方,可以看出有限積分法對于算力的要求要低于HFSS的有限元法。  

對于CST軟件,大家常用的也是Time Domain Solver,除此之外,它還有頻域求解器、本征模求解器、積分方程法、漸進計算、多層介質算法。



下一節我們會對兩種軟件的進行仿真精度對比,主要是看HFSS的FEM+自動網格剖分加密仿真和CST的Time Domain Solver和Frequency Domain Solver。


0 2腳本構建背饋式貼片天線    

     

常見的矩形貼片天線的饋電方式有側饋電和背饋式等,本次推文采用背饋電式進行仿真分析。





先選定基板為0.762mm厚度的Rogers4350B,諧振頻率為5.8GHz。(左右滑動可看完整公式)

經過上面公式計算可得貼片天線的寬度和長度分別為16.9mm和13.3mm。


經過上兩次推文  HFSS-API入門第一彈:畫個Box    HFSS-API入門第二彈:基本形狀和操作  的教學,現在可以直接擼一個背饋式貼片天線的HFSS vbs腳本(下載鏈接見文末,examples文件夾內):


clear;clc;path = mfilename('fullpath');i=strfind(path,'');path=path(1:i(end));cd(path);addpath(genpath(strcat(path,'hfssapi-by-Jianhui Huang')));try    % 填寫路徑    % tmpPrjFile:生成的aedt或者hfss(安裝hfss15以下的后綴名為.hfss)項目文件的路徑名    % tmpScriptFile:生成的vbs腳本文件的路徑名    tmpPrjFile = 'F:vbsScriptPatch_Probe_Feed.aedt';    tmpScriptFile = 'F:vbsScriptauto_code.vbs';    % hfssExePath:HFSS軟件的路徑    hfssExePath = 'D:softwareHFSS15AnsysEM18.2Win64ansysedt.exe';    % 創建一個可讀寫vbs腳本文件.    fid = fopen(tmpScriptFile, 'wt');    %創建一個新的HFSS項目并[敏感詞]一個新的設計文件.    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);     % 畫基板    % 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);    % 畫貼片    hfssBox(fid, 'Patch', {'-Patch_W/2', '-Patch_L/2', 'Sub_H'}, {'Patch_W', 'Patch_L', 'copper_H'}, 'mm',...        "(255 128 0)", "copper", 0, 2);    % 畫GND    hfssBox(fid, 'GND', {'-Sub_W/2', '-Sub_L/2', '0mm'}, {'Sub_W', 'Sub_L', '-copper_H'}, 'mm',...        "(128 128 128)", "copper", 0, 2);     % 畫同軸部分    % 畫同軸內芯    % 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);     % 地板開過孔    hfssCylinder(fid, 'GND_hole', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '0mm'}, 'Diel_R','-copper_H', 'mm',...       "(255 128 0)", "vacuum", 0, 2);    % 布爾操作    hfssSubtract(fid, {'Outer'}, {'Diel'}, true);    hfssSubtract(fid, {'Sub1','Patch','Diel'}, {'Inner'}, true);    hfssSubtract(fid, {'GND'}, {'GND_hole'}, false);    % 保存項目文件到指定路徑    hfssSaveProject(fid, tmpPrjFile,1);    % Close the HFSS Script File.    fclose(fid);    disp('vbs腳本已生成!');catch    disp('程序出現異常!');    fclose(fid);end


上面的代碼按個人情況按圖索驥地修改tmpPrjFile,tmpScriptFile ,hfssExePath這幾個路徑和Design_name,將編寫的MATLAB生成vbs腳本的.m文件與下載的hfssapi-by-Jianhui Huang放在同一個總文件夾內,點擊運行即可生成vbs腳本(在自行賦值的tmpScriptFile的這個路徑下)。vbs腳本可以直接點擊運行,或者在HFSS軟件中Run Script。

建模完成后,自行添加Region,設置Radiation邊界條件和Analysis的Setup,即可進行仿真(后續boundary和analysis同步上來后可以在腳本中就建立好)。


Analysis設置


此時仿真結果可以看出天線諧振頻率偏向低頻,且輸入阻抗偏離50歐姆。



這時候有人肯定就會說,調天線就是玄學,這么多變量我怎么知道調節哪些變量,變量調成多少合適,難道直接用Optimization? 其實了解過貼片天線相關原理的就曉得,這時候,只需要調節天線的長度和饋電偏離中心的位置即可,前者影響諧振頻率,后者影響天線的匹配。

話不多說直接上圖,可以看出當饋電點位置偏離貼片天線中心2.5mm時,其阻抗匹配較優。




不過此時天線的諧振頻率還偏向低頻5.6GHz,因此適當縮短天線長度即可完成5.8GHz背饋式貼片天線的設置。



矩形貼片天線長度掃參結果


 


0 3CST和HFSS仿真結果對比    

     

在HFSS上方菜單欄選擇Modeler->Export,保存為step格式。

然后打開CST在Export下選擇導入上面的STEP文件,并刪除Region等無關模型,設置好材料屬性和邊界條件。

采用時域求解器和默認的網格剖分設置,仿真的諧振頻率在5.759GHz,與HFSS仿真結果相差40MHz。


CST時域Meshproperties和S11結果


直接將上述模型的求解器改為頻域求解器并按下圖設置網格剖分,仿真的諧振頻率在5.825GHz,與HFSS仿真結果相差25MHz左右,已經很接近了。



CST頻域Meshproperties和S11結果





總體來說,電小尺寸的微帶貼片天線在HFSS的FEM+自動網格剖分加密仿真和CST的時域和頻域求解器下,仿真結果差異可以接受。畢竟天線設計屬于工科范疇,實際還要考慮加工、焊接容差等,所以還是需要打幾次PCB板進行測試分析、調試優化,死磕這點仿真差異并沒有啥意義。


基礎性地寫代碼編注釋,建模仿真還是挺費時間和精力的,希望大家多點贊分享!


代碼分享區

hfssapi-by-Jianhui Huang

下載鏈接(后續代碼持續在[敏感詞]鏈接更新):

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

提取碼:o5p5

代碼已封裝好打包為p文件不可修改,每次重新下載覆蓋,按函數注釋進行掉包即可!



注釋事項:MATLAB生成vbs腳本的.m文件與hfssapi-by-Jianhui Huang放在同一個總文件夾內。不要在examples文件夾內運行.m文件!



“Kinghelm”商標由金航標公司原始注冊,金航標是GPS天線北斗天線研發生產直銷廠家,在北斗GPS導航定位行業非常高的知名度和美譽度,研發生產產品廣泛應用于bds衛星導航定位無線通信等領域。主要產品包括:RJ45-RJ45網絡,網絡接口連接器、射頻連接器轉接線、同軸線纜連接器、type-c連接器、hdmi接口type-c接口、排針排母、SMA、fpc、FFC天線連接器、天線信號傳輸防水接頭、hdmi接口、usb連接器、端子端子線、端子板接線端子、接線端子排、射頻rfid標簽、定位導航天線、通訊天線天線連接線、膠棒天線吸盤天線、433天線4G天線,GPS模塊天線等。廣泛應用于航天航空、通信、[敏感詞]、儀器儀表和安防、醫療等行業。


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