HFSS作為業(yè)界第一個(gè)商業(yè)化的三維全波任意結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真工具，可以為天線及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供全面的仿真功能：包括設(shè)計(jì)、優(yōu)化及天線的性能評(píng)估。HFSS能夠精確仿真計(jì)算天線的各種電性能，包括二維、三維遠(yuǎn)場(chǎng)/近場(chǎng)輻射方向圖、天線增益、軸比、計(jì)劃比、半功率波瓣寬度、內(nèi)部電磁場(chǎng)場(chǎng)型、天線阻抗、電壓駐波比、S參數(shù)等等。

下面以貼片天線設(shè)計(jì)為例介紹一下HFSS在天線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1.需求分析：

貼片天線作為一種價(jià)格低廉且結(jié)構(gòu)緊湊的天線被廣泛應(yīng)用于各種印刷電路板。為了獲得最佳的性能，一般工程上都把貼片天線設(shè)計(jì)成諧振偶極子的形式，偶極矩的長(zhǎng)度要略小于半個(gè)波長(zhǎng)。

2.設(shè)計(jì)過(guò)程：

1）設(shè)置求解類型

2）參數(shù)建模

定義對(duì)稱偶極子天線的基本參數(shù)并初始化，如下表：

3）創(chuàng)建貼片偶極子天線的模型：

建好的模型如下圖，可以先建好一個(gè)臂，通過(guò)坐標(biāo)軸復(fù)制來(lái)實(shí)現(xiàn)另外一個(gè)臂。

4）設(shè)置端口激勵(lì)：

天線的饋電點(diǎn)設(shè)置在整個(gè)天線的中心位置，采用集中端口Lump port，具體設(shè)置參考如下。

5）設(shè)置邊界條件：

要在HFSS里面分析天線的對(duì)外輻射場(chǎng)，需要將邊界條件設(shè)置為輻射邊界，即Radiating only，輻射邊界距離輻射體的距離不能小于天線波長(zhǎng)的四分之一。如上模型圖。

6）制定激勵(lì)和求解條件：

這里我們需要設(shè)置求解中心頻率，和掃頻范圍，示意圖如下。

7）設(shè)計(jì)檢查及仿真運(yùn)行

在仿真開(kāi)始前需要對(duì)設(shè)計(jì)的設(shè)置進(jìn)行檢查，以檢查設(shè)計(jì)的正確性和完整性。

3.結(jié)果查看及后處理：

1）結(jié)果后處理：

HFSS的后處理模塊功能非常強(qiáng)大，能夠輸出各種結(jié)果圖形，具體的操作示意如下：

2）查看回波損耗S11：

回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，是一對(duì)線自身的反射，是天線設(shè)計(jì)需要關(guān)注的參數(shù)之一。

上面的S11圖是天線在2G Hz ~3 G Hz頻段內(nèi)的回波損耗，這個(gè)貼片偶極子天線中心頻率約為2.45G Hz。

3）電壓駐波比VSWR：

電壓駐波比VSWR,是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。

由上圖可以看到該天線在2.45GHz附近時(shí)，電壓駐波比約為1.1，說(shuō)明此處接近行波，傳輸特性比較理想。

4）smith阻抗圓圖：

史密斯圓圖是一種計(jì)算阻抗、反射系數(shù)等參量的簡(jiǎn)便圖解方法。采用雙線性變換，實(shí)部r=常數(shù)和虛部x＝常數(shù)兩族正交直線變化為正交圓并與反射系數(shù)|G|=常數(shù)和虛部x＝常數(shù)套印而成。

上圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部，在中心頻率2.45GHz時(shí)，歸一化輸入阻抗為0.998‐j04,折合49.9‐j2，呈弱電容性。

5）輸入阻抗

輸入阻抗是指?jìng)鬏斁€、電子電路等的輸入端口所呈現(xiàn)的阻抗。實(shí)質(zhì)上是個(gè)等效阻抗。只有確定了輸入阻抗，才能進(jìn)行阻抗匹配。

上圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部，在中心頻率2.45GHz時(shí)，輸入阻抗約為50‐j2，呈弱電容性。與Smith圓圖的顯示結(jié)果基本一致。

6）XOZ方向圖：

方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示，它可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)的變化關(guān)系。輻射特性有輻射強(qiáng)度、場(chǎng)強(qiáng)、相位和極化。通常討論在遠(yuǎn)場(chǎng)半徑為常數(shù)的大球面上，天線輻射（或接收）的功率或者場(chǎng)強(qiáng)隨位置方向坐標(biāo)的變化規(guī)律，并分別稱為功率方向圖和場(chǎng)方向圖。天線方向圖是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)確定的，所以又叫遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。

由上圖可以看到，電場(chǎng)方向以Z軸為對(duì)稱軸，在XOY平面上電場(chǎng)最強(qiáng)，且沿四周均勻輻射。但沿著Z軸方向電場(chǎng)強(qiáng)度很弱，‐10db夾角為‐10~170度。

7）三維增益方向圖：

4.總結(jié)：

HFSS的模型前處理操作很方便，利用參數(shù)化建模方法可以快速的搭建仿真模型。此外，新版本的HFSS里面還增加了天線設(shè)計(jì)套件，自帶豐富的天線模型庫(kù)，能極大的提高建模效率。在仿真過(guò)程中，配合HPC模塊，HFSS可以充分利用計(jì)算機(jī)硬件和網(wǎng)絡(luò)集群優(yōu)勢(shì)，在保證仿真精度的同時(shí)大幅提升大陣列天線的仿真速度，縮短仿真周期。在仿真結(jié)果的后處理階段，HFSS利用其強(qiáng)大的后處理能力，能夠根據(jù)用戶的需求，輸出各種用戶需要的場(chǎng)量結(jié)果。正是因?yàn)镠FSS在天線及天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的強(qiáng)大能力和超高的精度，使得HFSS成為了天線和天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的首選工具。

來(lái)源：恩碩科技