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HFSS天线设计讲义.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：5.39M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第 1 章 HFSS 天线设计流程 HFSS 是美国 Ansoft 公司(注:Ansoft 公司于 2008 年被 Ansys 公司收购)开发的全波三维 电磁仿真软件。该软件采用有限元法，计算结果准确可靠，是业界公认的三维电磁场设计和 分析的工业标准。 HFSS 采用标准的 Windows 图形用户界面，简洁直观;自动化的设计流程，易学易用;稳 定成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。使用 HFSS，用户只需要创建或导入设计模型， 指定模型材料属性，正确分配模型的边界条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算 并输出用户需要的设计结果。 作为一款功能强大的三维电磁设计软件，HFSS 可以为天线设计提供全面的解决方案。 使用 HFSS 可以仿真分析和优化设计各类天线，精确计算天线的各种性能，包括二维、三维 远场和近场辐射方向图、天线的方向性系数、增益、轴比、半功率波瓣宽度、输入阻抗、电 压驻波比、S 参数以及电流分布特性等。 本章首先就 HFSS 天线设计的流程做一个简要的概述，然后就 HFSS 天线设计过程中每 个设计步骤的相关设置和具体操作进行详细的介绍。 1. 1 H FSS 天线设计流程概述 图 1.1.1 所示为使用 HFSS 进行天线设计的简要流程，设计流程中各个步骤的功能分述 如下。 ①设置求解类型，在天线设计中可以选择模式求解类型或者终端驱动求解类型。 图 1 .1.1HFSS 天线设计流程
    ②创建天线的结构模型。根据天线的初始尺寸和结构，在 HFSS 模型窗口中创建出天线 的 HFSS 参数化设计模型。另外，HFSS 也可以直接导入由 AutoCAD, Pro/E 等第三方软件 创建的结构模型。 ③设置边界条件。在 HFSS 中，导体结构一般设定为理想导体边界条件(Perfect E)或者 有限导体边界条件。使用 HFSS 设计天线时，还必须在辐射体的外侧正确设置辐射边界条件 或者理想匹配层(PML)边界条件，这样 HFSS 才会计算天线的远区辐射场。 ④设置激励方式。天线必须通过传输线或者波导传输信号，天线与传输线或者波导的连 接处即为馈电面或者称为激励端口。天线设计中馈电面的激励方式主要有两种，分别是波端 口激励(Wave Port)和集总端口激励(Lumped Port) 。 ⑤设置求解参数，包括设定求解频率和扫频参数，其中，求解频率通常设定为天线的中 心工作频率。 ⑥运行求解分析。上述操作完成后，即创建好天线模型，正确设置了边界条件、激励方式和 求解参数，即可执行求解分析操作命令来运行仿真计算。整个仿真计算由 HFSS 软件自动完 成，不需要用户干预。分析完成后，如果结果不收敛，则需要重新设置求解参数;如果结果 收敛，则说明计算结果达到了设定的精度要求。 ⑦查看求解结果。求解分析完成后，在数据后处理部分可以查看 HFSS 分析出的天线的 各项性能参数，如回波损耗 S-、电压驻波比 VSWR、输入阻抗、天线方向图、轴比和电流 分布等。如果仿真计算的天线性能满足设计要求，那么已经完成了天线的仿真设计，此时可 以着手制作、调试实际的天线了。如果仿真计算的天线性能未能达到设计要求，那么还需要 使用 HFSS 的参数扫描分析功能或者优化设计功能，进行参数扫描分析和优化设计。 ⑧Optimetrics，优化设计。如果前面的分析结果未达到设计要求，那么还需要使用 Optimetrics 模块的参数扫描分析功能和优化设计功能来优化天线的结构尺寸，以找到满足设 计要求的天线尺寸。 1. 2 H FSS 天线设计详细操作 1. 2. 1 求解类型 HFSS 中共有三种求解类型，分别是模式驱动求解(Driven Modal)、终端驱动求解( Driven Terminal)和本征模求解(Eigenmode。在天线设计中，通常选择模式驱动或者终端驱动求解类 型。其中，模式驱动求解类型根据导波模式的入射和反射功率来计算 S 参数矩阵的解，终 端驱动求解类型根据传输线终端的电压和电流来计算 S 参数矩阵的解。 通过选择【HFSS】→【Solution Type】命令，可以打开如图 1. 2. 1 所示的对话框，设定 设计的求解类型。 图 1.2.1 求解类型 1. 2. 2 创建天线结构模型
    HFSS 软件提供了一个简单易用的建模环境，从而可以准确、方便地创建出各种天线的 结构模型，包括准确地设置天线模型的结构尺寸和正确地分配模型的材质。 在 HFSS 中也可以导入由第三方软件创建的结构模型。通过选择主菜单栏中的【Modeler】 →【Import】命令，可以导入使用 AutoCAD, Pro/E 等软件创建的天线结构模型。另外，为 了方便后续的参数扫描分析、优化设计，以及为了能够方便地更改设计模型的结构尺寸，在 建模时可以定义一系列的变量来表示模型的物理尺寸。 1.2. 3 设置边界条件 边界条件用于确定场，正确地设置边界条件是正确使用 HFSS、仿真计算出准确结果的 前提。而且，灵活地使用边界条件还可以很好地降低模型的复杂度。 在 HFSS 设计中，设置边界条件的步骤为:首先选中物体表面，然后在三维模型窗口中 单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign Boundary】命令，即可弹出设置边界条件 的级联菜单，如图 1. 2. 2 所示，单击级联菜单中的边界条件名称，即可打开相应边界条件的 设置对话框，给选中的物体表面分配该边界条件。 图 1. 2. 2 设置边界条件 HFSS 中定义了多种边界条件类型，分别为理想导体边界条件(Perfect E )、理想磁边界 条件(Perfect H )、有限导体边界条件(Finite Conductivity、辐射边界条件( Radiation)、对称边 界条件(Symmetry)、阻抗边界条件(Impedance)、集总 RLC 边界条件(Lumped RLC )、无限地 平面(Infinite Ground Plane)、主从边界条件(Masterand Slave)、理想匹配层(PML)和分层阻抗 边界条件(Layered Impedance)。天线设计中，最常用到的边界条件是理想导体边界条件 (Perfect E )、有限导体边界条件( Finite Conductivity)、辐射边界条件(Radiation)和理想匹配层 (PML)。 1.理想导体边界条件 在 HFSS 中，任何与背景相关联的物体表面以及材质为理想电导体(Pec)的物体表面都会 被自动设置为理想导体边界。这种边界条件的电场矢量(E-Field )垂直于物体表面。 在设计中，为了降低模型的复杂度，经常通过给物体表面分配理想导体边界条件的方式 来实现理想导体壁。例如，在微带线和带状线的 HFSS 设计模型中，信号线以及参考地都可 以使用理想的薄导体来代替。此时，在设计中可以首先创建一个二维平面，然后把平面的边 界条件设为理想导体边界。 2.有限导体边界条件
    前面提到，为了降低模型的复杂度，经常通过给物体表面分配理想导体边界条件的方式 来实现理想导体壁。但是实际天线结构的导体部分通常都是使用良导体，如金属铜。使用有 限导体边界，可以实现把一个平面的边界条件设置为金属铝、金属铜等良导体。 3.辐射边界条件 辐射边界条件也称为吸收边界条件(Absorbing Boundary Condition, ABC)，用于模拟开 放的自由空间。系统在辐射边界处吸收了电磁波，本质上可以把边界看成是延伸到空间无限 远处。天线是一个辐射结构，理论上其边界应该在无穷远处。而在有限元求解中，把边界条 件设置在无穷远处会严重影响求解效率，这样不切合实际。为了兼顾准确度和求解效率， HFSS 引入了辐射边界条件和理想匹配层来代替无限大的自由空间。 在使用 HFSS 进行天线设计时，必须定义辐射边界条件或者理想匹配层，用以模拟开放 的自由空间。在设计中只有定义了辐射边界条件或者理想匹配层，软件才会自动分析计算天 线的远区场。 使用辐射边界条件作为自由空间的近似，这种近似的准确程度取决于波的传播方向与辐 射边界表面之间的角度，以及辐射体与边界表面之间的距离。若用 e 表示波的传播方向和辐 射边界表面之间的角度，那么辐射边界的反射系数与 e 之间的关系可以用图 1. 2. 3 来表示。 从图中可以看出，当波的传播方向与辐射边界表面正交，即 θ=00时，电磁能量几乎全部被 边界吸收，反射系数最小，此时仿真计算结果最准确;当波的传播方向与辐射边界表面平行， 即 θ = 900时，电磁能量几乎全部被辐射边界反射回去，此时仿真计算结果的准确度最差。 图 1. 2. 3 反射系数与入射波相对辐射边界表面夹角的关系曲线 图 1. 2. 4 所示为一个半波偶极子天线的回波损耗(S11参数)和辐射边界距离之间的关系 图，图中给出了辐射边界和偶极子天线距离分别为λ/16, λ/8, λ/4, λ/2,3λ/4,λ和 5 λ/4 情况下的回波损耗S11分析结果。从图中可以看出，当辐射边界和偶极子天线之间的距 离大于λ /4 时，回波损耗S11分析结果基本一致，不再有大的波动。所以，通常情况下，为 了保证计算结果的准确，辐射边界距离辐射体应不小于 1/4 个工作波长。
    图 1. 2. 4 偶极子天线的S11参数和辐射边界距离之间的关系 辐射边界条件的具体设置步骤如下:首先选中物体表面，然后在三维模型窗口中单击鼠 标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign Boundary】→【Radiation】命令，打开如图 1.2.5 所示的辐射边界条件设置对话框。在天线设计中，通常只需选中对话框中的 Radiating Only 单选按钮(即保持默认设置即可)。最后单击 按钮，即可设置选中的物体表面为辐 射边界条件。 图 1. 2. 5 辐射边界条件设置对话框 4.理想匹配层(PML ) 在天线设计中，除了可以使用辐射边界条件来模拟开放的自由空间之外，也可以选择使 用理想匹配层来模拟开放的自由空间。 理想匹配层(Perfectly Matched Layers, PML)是能够完全吸收入射电磁波的假想的各项 异性材料边界，其有两种典型的应用，一是用于外场问题中的自由空间截断，二是用于导波 问题中的吸收负载。对于自由空间截断的情况，PML 表面能够完全吸收入射来的电磁波， 其作用类似于辐射边界条件。和辐射边界条件相比，理想匹配层由于能够完全吸收入射的电 磁波，零反射，因此计算结果更精确。另外，理想匹配层表 面可以距离辐射体更近，差不 多 1/10 个波长即可，而辐射边界表面和辐射体之间的距离一般需要大于 1/4 个工作波长。 辐射边界条件的具体设置步骤如下:首先选中物体表面，然后在三维模型窗口中单击标 右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign Boundary】→【PML Setup Wizard】命令，打开如
    图 1.2.6 所示的理想匹配层设置向导，根据设置向导的提示，设置选中的物体表面为理想匹 配层。其中，在设置向导的 Cover Objects 对话框中，Uniform Layer Thickness 一般设置为 1/2 个工作波长，在天线设计时需要选中 Base Face Radiation Properties 选项组中的 Radiating Only 单选按钮，如图 1. 2. 6(a)所示。然后单击 按钮，打开 Material Parameter， 对话框，在其中的 Min Frequency 文本框中输入最小工作频率，天线设计时通常输入天线的 中心频率，Minimum Radiating Distance 一般设置为一个工作波长，如图 1.2.6 (b)所示。然 后再次单击 按钮，直至完成。 图 1. 2. 6 理想匹配层设置向导 1. 2. 4 设置激励方式 在 HFSS 中，激励是一种定义在三维物体表面或者二维平面物体上的激励源，这种激励 源可以是电磁场、电压源、电流源或者电荷源。HFSS 中定义了多种激励方式，主要有波端 口激励(Wave Port)、集总端口激励(Lumped Port ) , Floquet 端口激励( Floquet Port)、入射波 激励(Incident Wave)、电压源激励(Voltage Source)、电流源激励(Current Source)和磁偏置激 励(Magnetic Bias)。 天线必须通过传输线或者波导传输信号，天线与传输线或者波导的连接处可以看做是端 口平面。天线设计中，端口平面的激励方式多设置为波端口激励或者集总端口激励。其中， 如果端口平面与背景相接触，激励方式需要设置为波端口激励;如果端口平面在模型内部， 激励方式则需要设置为集总端口激励。 1.波端口激励 与背景相接触的端口平面需要设置为波端口激励。在设置波端口激励时，需要设置积分 校准线(模式驱动求解类型)或终端线(终端驱动求解类型)、S 参数归一化阻抗值和端口平移 距离等信息。 对于模式驱动求解类型，在设置波端口激励方式时，需要设定端口的积分线( Integration Line)。设定积分线的口的有两个，一是确定电场的方向，积分线的箭头指向即为电场的正 方向;二是设定端口电压的积分路径，用于计算端口电压等参数。在模式驱动求解类型下，
    在波端口设置对话框的 Modes 界面中选择 Integration Line。列对应的 None，再从下拉列表 中选择 New Line 选项，即可设置波端口的积分线，如图 1. 2. 7 ( a)所示。设定好的波端口 积分线如图 1. 2. 7 ( b)所示。 图 1. 2. 7 模式驱动求解类型下的波端口激励端——端口积分线 对于终端驱动求解类型而言，在设置波端口激励方式时需要设定端口的终端线 ( Terminal Line)，通过终端线上的节点电流和电压来计算端口的阻抗和 S 参数矩阵。对于 HFSS 11 以前的版本，用户需要手动设置终端线作为电压的积分路径，HFSS 根据设定的终 端线计算端口的节点电压。很多时候确定端口的电压积分线是比较困难的，手动设置这样的 终端线是费时且费力的一件事。因此，HFSS 11 以及 HFSS 11 之后的版本对端口终端线的设 置做了改进，由用户手动设置终端线作为电压积分路径来计算节点电压，改为系统自动设置 终端线作为磁场的积分路径来计算节点电流。在终端驱动求解类型下，设置波端口时会打开 如图 1.2.8 (a)所示的对话框，要求用户指定终端线的参考导体，对于常用的微带线和带状 线结构，通常是把参考地设定为终端线的参考导体，即选中对话框中参考地对应的 Use as Reference 复选框。然后，HFSS 软件会把其他金属层和端口平面相交的棱边自动设定为终端 线。图 1.2.8 (b)所示为一个微带线结构的设定好的波端口终端线。
    图 1. 2. 8 终端驱动求解类型下的波端口激励设置和终端线 无论是模式驱动求解类型还是终端驱动求解类型，在设置波端口激励时，都需要设置端 口的 S 参数归一化阻抗值，归一化阻抗即端口的负载阻抗。在微波射频频段，端口负载阻 抗一般都是 50Ω。在波端口设置对话框的 Post Processing 选项卡中，选中 Renormalize All Modes 单选按钮，即可在 Full Port Impedance 文本框中输入归一化阻抗的值，通常此处输入 50ohm，如图 1.2.9 所示。如果此处选中的是 Do Not Renormalize 单选按钮，那么导波系统 中每个模式在波端口处都是完全匹配的，此时计算分析的是广义 S 参数。 图 1. 2. 9 波端口设置对话框的 Post Processing 选项卡 另外，在波端口设置对话框的 Post Processing 选项卡中还可以设置 Deembed 功能。HFSS 的 Deembed 功能可以简单地理解为端口平移功能，即平移端口到新的位置，然后计算出相应 的 S 参数。假设有一个三端口器件，端口平移前 S 参数矩阵为 S，端口平移后新的 S 参数矩 阵为Sdeembed，则有: Sdeembed = eγlSeγl (1-2-1) 式中eγl = [ 1 eγ 0 0 l1 l1 0 eγ 0 2 0 0 eγ 3 l3 ]，γ是复传播常数，γ = α + jβ。α称为衰减常数，单位 是 Np/m , β称为波的相位常数，单位为 rad/m;各个端口的复传播常数γ 由 HFSS 计算求 i 解;Li是各个端口平移的距离。 端口平移只影响数据后处理的结果，使用端口平移功能将端口平移到新的位置后，HFSS 不需要重新运行仿真计算。在设置端口平移距离时，正数表示端口平面向模型内部移动的距 离，负数表示端口平面向模型外延伸的距离。 波端口四周默认的边界条件是理想导体边界，因此对于波导或同轴线这类横截面闭合的 器件，端口截面四周都是导体，波端口直接定义在其终端横截面上即可。而对于微带线、带
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