技術(shù)

貼片天線的HFSS和CST仿真對比

2022-01-12 來源：微波射頻網(wǎng) 作者：94巨蟹座少年字號：大中小

學(xué)個Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主，理論原理為輔的干貨天線技術(shù)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(shè)計、調(diào)試過程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題，可以在文尾寫下留言。

摘要：

目前常用的電磁仿真軟件有HFSS、CST、FEKO等，HFSS軟件仿真電小物體相對而言要比CST更精確，CST對寬帶天線的求解速度則比HFSS更勝一籌！因為CST是基于時域有限積分法，只需要輸入一個時域脈沖就可以仿真寬帶頻譜結(jié)果。

本文使用的軟件為CST2018和AnsysEM 18.2

簡單介紹

· HFSS里內(nèi)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，F(xiàn)A-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/11389787

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(yīng)網(wǎng)格剖分和加密技術(shù)，設(shè)置好收斂的Max Mag Delta S（默認(rèn)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(shè)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(fā)現(xiàn)，其對電腦的配置要求較高，尤其是內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)附件的三角網(wǎng)格剖分的特別細(xì)膩，而CST的六面體網(wǎng)格的剖分過于規(guī)整。

雖然縫隙和圓形等結(jié)構(gòu)附近的剖分雖然可以采用CST的局部網(wǎng)格加密Local Mesh等，但初學(xué)者可能還是HFSS的傻瓜式自適應(yīng)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(nèi)在特性決定了，其適合的仿真結(jié)構(gòu)涵蓋電小、電中和電大，均可取得良好的表現(xiàn)。體矩量法、有限元法和有限積分法三者的計算量（體現(xiàn)在CPU 時間和所需內(nèi)存）·分別正比于所分網(wǎng)格數(shù)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(zhì)算法。

下一節(jié)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(wǎng)格剖分加密仿真和CST的Time Domain Solver和Frequency Domain Solver。

腳本構(gòu)建背饋式貼片天線

常見的矩形貼片天線的饋電方式有側(cè)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(jīng)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(jīng)過上兩次推文HFSS-API入門第一彈：畫個Box和HFSS-API入門第二彈：基本形狀和操作的教學(xué)，現(xiàn)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(nèi)）：

1 clear;clc;

2 path = mfilename('fullpath');

3 i=strfind(path,'\');

4 path=path(1:i(end));

5 cd(path);

6 addpath(genpath(strcat(path,'hfssapi-by-Jianhui Huang')));

7 try

8 % 填寫路徑

9 % tmpPrjFile：生成的aedt或者h(yuǎn)fss(安裝hfss15以下的后綴名為.hfss)項目文件的路徑名

10 % tmpScriptFile：生成的vbs腳本文件的路徑名

11 tmpPrjFile = 'F:\vbsScript\Patch_Probe_Feed.aedt';

12 tmpScriptFile = 'F:\vbsScript\auto_code.vbs';

13

14 % hfssExePath：HFSS軟件的路徑

15 hfssExePath = 'D:\software\HFSS15\AnsysEM18.2\Win64\ansysedt.exe';

16

17 % 創(chuàng)建一個可讀寫vbs腳本文件.

18 fid = fopen(tmpScriptFile, 'wt');

19

20 %創(chuàng)建一個新的HFSS項目并插入一個新的設(shè)計文件.

21 hfssNewProject(fid);

22 Design_name='element';

23 hfssInsertDesign(fid, Design_name);

24

25 Patch_W=16.9;Patch_L=13.3;

26 Sub_W=35;Sub_L=30;Sub_H=0.762;copper_H=0.035;

27 Probe_dy=-4;Probe_dx=0;

28 Inner_R=0.5;Diel_R=exp(50/60*sqrt(1))*Inner_R;Outer_R=1.5;L0=2;

29 % hfssVariableInsert(fid,DesignName,variableName, value, units,flag)

30 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Patch_W', Patch_W, 'mm',1);

31 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Patch_L', Patch_L, 'mm',1);

32 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Sub_W', Sub_W, 'mm',1);

33 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Sub_L', Sub_L, 'mm',1);

34 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Sub_H', Sub_H, 'mm',1);

35 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'copper_H', copper_H, 'mm',1);

36 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Probe_dx', Probe_dx, 'mm',1);

37 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Probe_dy', Probe_dy, 'mm',1);

38 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'L0', L0, 'mm',1);

39 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Inner_R', Inner_R, 'mm',1);

40 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Diel_R', 'exp(50/60*sqrt(1))*Inner_R', 'mm',2);

41 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Outer_R', Outer_R, 'mm',1);

42

43 % 畫基板

44 % hfssBox(fid, BoxName, Start, Size, Units, Color, Material, Transparency, flag)

45 hfssBox(fid, 'Sub1', {'-Sub_W/2', '-Sub_L/2', '0mm'}, {'Sub_W', 'Sub_L', 'Sub_H'}, 'mm',...

46 "(0 128 128)", "Rogers RO4350 (tm)", 0, 2);

47 % 畫貼片

48 hfssBox(fid, 'Patch', {'-Patch_W/2', '-Patch_L/2', 'Sub_H'}, {'Patch_W', 'Patch_L', 'copper_H'}, 'mm',...

49 "(255 128 0)", "copper", 0, 2);

50 % 畫GND

51 hfssBox(fid, 'GND', {'-Sub_W/2', '-Sub_L/2', '0mm'}, {'Sub_W', 'Sub_L', '-copper_H'}, 'mm',...

52 "(128 128 128)", "copper", 0, 2);

53

54 % 畫同軸部分

55 % 畫同軸內(nèi)芯

56 % hfssCylinder(fid, CylinderName, Axis, Center, Radius, Height, Units, Color, Material, Transparency, flag)

57 hfssCylinder(fid, 'Inner', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', 'Sub_H+copper_H'}, 'Inner_R','-(Sub_H+copper_H*2+L0)', 'mm',...

58 "(128 128 128)", "copper", 0, 2);

59 hfssCylinder(fid, 'Diel', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '-copper_H'}, 'Diel_R','-L0', 'mm',...

60 "(0 128 128)", "vacuum", 0, 2);

61 hfssCylinder(fid, 'Outer', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '-copper_H'}, 'Outer_R','-L0', 'mm',...

62 "(128 128 128)", "copper", 0, 2);

63

64 % 地板開過孔

65 hfssCylinder(fid, 'GND_hole', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '0mm'}, 'Diel_R','-copper_H', 'mm',...

66 "(255 128 0)", "vacuum", 0, 2);

67

68 % 布爾操作

69 hfssSubtract(fid, {'Outer'}, {'Diel'}, true);

70 hfssSubtract(fid, {'Sub1','Patch','Diel'}, {'Inner'}, true);

71 hfssSubtract(fid, {'GND'}, {'GND_hole'}, false);

72

73 % 保存項目文件到指定路徑

74 hfssSaveProject(fid, tmpPrjFile,1);

75

76 % Close the HFSS Script File.

77 fclose(fid);

78 disp('vbs腳本已生成！');

79catch

80 disp('程序出現(xiàn)異常！');

81 fclose(fid);

82end

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(nèi)，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(shè)置Radiation邊界條件和Analysis的Setup，即可進行仿真(后續(xù)boundary和analysis同步上來后可以在腳本中就建立好)。

Analysis設(shè)置

此時仿真結(jié)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(diào)天線就是玄學(xué)，這么多變量我怎么知道調(diào)節(jié)哪些變量，變量調(diào)成多少合適，難道直接用Optimization？其實了解過貼片天線相關(guān)原理的就曉得，這時候，只需要調(diào)節(jié)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(dāng)饋電點位置偏離貼片天線中心2.5mm時，其阻抗匹配較優(yōu)。

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

矩形貼片天線長度掃參結(jié)果

CST和HFSS仿真結(jié)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(dǎo)入上面的STEP文件，并刪除Region等無關(guān)模型，設(shè)置好材料屬性和邊界條件。

采用時域求解器和默認(rèn)的網(wǎng)格剖分設(shè)置，仿真的諧振頻率在5.759GHz，與HFSS仿真結(jié)果相差40MHz。

CST時域Meshproperties和S11結(jié)果

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

CST頻域Meshproperties和S11結(jié)果

總體來說，電小尺寸的微帶貼片天線在HFSS的FEM+自動網(wǎng)格剖分加密仿真和CST的時域和頻域求解器下，仿真結(jié)果差異可以接受。畢竟天線設(shè)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(diào)試優(yōu)化，死磕這點仿真差異并沒有啥意義。

基礎(chǔ)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(qū)

hfssapi-by-Jianhui Huang

下載鏈接（后續(xù)代碼持續(xù)在下面鏈接更新）：

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(shù)注釋進行掉包即可！