基于HFSS軟件的超寬帶天線的分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u5212基于HFSS軟件的超寬帶天線的分析案例 1157481.1超寬帶天線的分析方法 1181111.1.1有限元法 117691.1.2矩量法 1135771.1.3時(shí)域有限差分法 162031.2HFSS軟件簡(jiǎn)介 1147551.2.1HFSS軟件概述 1310761.2.2HFSS天線設(shè)計(jì)流程 2326111.2.3HFSS天線設(shè)計(jì)步驟 31.1超寬帶天線的分析方法利用麥克斯韋方程，對(duì)周邊空間中的電磁場(chǎng)進(jìn)行了求解。本文所述的天線計(jì)算方法，如：矩量法、有限元法、時(shí)域有限差分法、有限積分法等REF_Ref22385\r\h[6]。1.1.1有限元法有限元方法的基本方法是：按所給的邊界問題的表達(dá)式列出相應(yīng)的條件，把大問題分解成多變量函數(shù)的極值問題；對(duì)所解區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分與解析，建立方程組，并將其合并；在此基礎(chǔ)上，引入了邊界條件，并對(duì)其進(jìn)行了求解。其優(yōu)點(diǎn)是具有很強(qiáng)的靈活性和較低的運(yùn)算量。1.1.2矩量法矩量法是將待求的積分、微分方程轉(zhuǎn)化為一類代數(shù)方程，再由代數(shù)方程組得到最后的結(jié)果。矩量法無需對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格分割，但其運(yùn)算速度與代數(shù)方程的系數(shù)矩陣的秩有關(guān)，而該系數(shù)矩陣一般為滿陣，因此計(jì)算時(shí)間較長。。1.1.3時(shí)域有限差分法該方法采用直接解麥克斯韋方程，把麥克斯韋方程的旋度方程轉(zhuǎn)化成微分方程，再用差分法對(duì)六個(gè)微分方程進(jìn)行離散。由微分方程可知，任意一位置電場(chǎng)都與上一次步長、垂直于其上一次瞬時(shí)的磁場(chǎng)以及介質(zhì)的參量有關(guān)。利用電磁場(chǎng)的初值和邊界條件，推導(dǎo)出了電磁場(chǎng)隨時(shí)間的改變?cè)诳臻g中的分布。1.2HFSS軟件簡(jiǎn)介1.2.1HFSS軟件概述計(jì)算機(jī)在當(dāng)今時(shí)代的高速發(fā)展促使了很多軟件的誕生，這其中，用于研究分析仿真電磁場(chǎng)的軟件誕生并得到了廣泛使用。這些軟件對(duì)電磁場(chǎng)的分析方法都是基于數(shù)值分析法之上的，借助他們仿真時(shí)，使用者只需要將設(shè)計(jì)的天線模型及端口、邊界等參數(shù)求解問題進(jìn)行設(shè)置，在分析之后進(jìn)行仿真，會(huì)使電磁場(chǎng)變得更加真實(shí)可感，也大大減少了科研人員的工作量，提高了天線設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率，縮短了設(shè)計(jì)的周期，降低了設(shè)計(jì)成本HFSS作為Ansoft公司推出的有限元法三維電磁軟件，憑借它簡(jiǎn)潔的使用界面和強(qiáng)大的功能在一眾軟件中脫穎而出。它具備精確的自適應(yīng)的場(chǎng)解器和能分析大量數(shù)據(jù)的處理器，可供研究人員計(jì)算任意形狀三維的電磁場(chǎng)的S參數(shù)，除此之外，還可以計(jì)算邊界、輻射特性、阻抗匹配等等。之所以能成為業(yè)界佼佼者，是因?yàn)樗€包含了極為強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，通過使用者自己的參數(shù)設(shè)定和需求，HFSS可以為用戶提供天線的增益、方向性、極化特性等等直觀的數(shù)據(jù)顯示。1.2.2HFSS天線設(shè)計(jì)流程圖3-1HFSS天線設(shè)計(jì)流程1）建立新工程。2）設(shè)置求解類型，有模式求解和終端求解兩種可供選擇。HFSS-SolutionType-DrivenModal。3）創(chuàng)建天線的結(jié)果模型?？梢愿鶕?jù)自己設(shè)計(jì)的天線的尺寸和結(jié)構(gòu)，自己在軟件中進(jìn)行畫圖制作。除此之外，還可以直接將AutoCAD、Pro/E等第三方軟件創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入。4）設(shè)置理想金屬邊界條件。在圖形左側(cè)點(diǎn)擊plane，在菜單欄新選擇HFSS-Assign-PerfectE，選中air，同理選擇Radiation，應(yīng)用于板子。一般將導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)為理想導(dǎo)體邊界條件（PerfectE）或者有限導(dǎo)體邊界條件。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，軟件并不能設(shè)計(jì)無限大的空間區(qū)域進(jìn)行模擬，所以只能把與背景相接觸的表面設(shè)置為理想的邊界條件即可滿足要求。5）設(shè)置激勵(lì)方式。傳輸線在天線中起到關(guān)鍵的作用，天線必須通過傳輸線才能傳遞信號(hào)。激勵(lì)方式主要有兩種：波端口激勵(lì)和集中端口激勵(lì)。6）設(shè)置求解參數(shù)。有兩步分別為設(shè)置求解頻率以及掃頻參數(shù)。這是參數(shù)分析的重要步驟。7)進(jìn)行解的分析。所有這些都做完了，我們就可以建立一個(gè)天線的模型，然后進(jìn)行解析。不過，這需要確定前面的參數(shù)和邊界都是正確的，否則發(fā)線上的參數(shù)設(shè)置就會(huì)出錯(cuò)。HFSS中的驗(yàn)證檢驗(yàn)可以用于檢驗(yàn)過程中是否有疏漏。如果通過，就能對(duì)有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)分析不用人力，整個(gè)過程都是軟件自行完成，只要等待結(jié)果就可以了。8)檢視解決的結(jié)果。當(dāng)計(jì)算結(jié)果結(jié)束時(shí)，HFSS會(huì)給出經(jīng)過處理的資料，從而可以了解到該天線的各種特性。例如，S11的回波損耗，VSWR的駐波比，輸入阻抗，等等。如果最終的結(jié)果和我們的天線達(dá)到了預(yù)期的效果，那就是我們的計(jì)劃成功了。若不能滿足要求，就必須對(duì)天線的結(jié)構(gòu)和邊緣做進(jìn)一步的改進(jìn)。直到達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。9)Optimetrics優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果以上分析符合條件，則在Optimetrics中對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，通過不斷的優(yōu)化，最終得到最佳的天線尺寸和結(jié)構(gòu)。1.2.3HFSS天線設(shè)計(jì)步驟首先將軟件進(jìn)行安裝，本文使用的是HFSS2021的版本，首先要確保軟件安裝無誤。安裝成功后如圖：圖3-2運(yùn)行HFSS界面圖（2）運(yùn)行HFSS并新建工程雙擊HFSS的圖標(biāo)，啟動(dòng)HFSS軟件?；蛘咴谏厦婀ぞ邫谶x擇Project-HFSSDesign來啟動(dòng)。打開界面以后選擇File-saveas把文件保存在提前建立的文件夾內(nèi)。要注意的是保存路徑不能含有中文，否則讀取會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。圖3-3新建HFSS工程（3）設(shè)置求解類型選擇HFSS-SolutionType，進(jìn)入求解類型的設(shè)置窗口。窗口界面如圖所示：圖3-4求解類型設(shè)置界面求解類型有終端，本征和特征，在這里使用默認(rèn)的就行。（4）模型長度單位設(shè)置選擇Modeler里面的Units選項(xiàng)，設(shè)置基本單位毫米（mm）如圖所示：圖3-5單位設(shè)置（5）添加和定義設(shè)計(jì)變量單擊HFSS-DesignProperties，單擊Add按鈕，按照我們的計(jì)算結(jié)果，把需要添加的變量名稱以及數(shù)量和屬性添加即可。圖3-6添加和定義變量（6）創(chuàng)建天線模型選擇Draw內(nèi)的圓形方塊等可以建立天線模型。利用人工剪裁等方法，可以把不同的天線模型進(jìn)行裁剪，也可以把不同的零件拼接起來。當(dāng)然，在繪制模型的時(shí)候，一定要注意參數(shù)和坐標(biāo)，千萬別把它搞亂了，否則會(huì)造成天線的錯(cuò)誤。圖3-7構(gòu)建天線模型（7）掃頻設(shè)置執(zhí)行掃描設(shè)定后，我們會(huì)選擇HFSS-Analysis-edit的特性，然后彈出下面的視窗。選擇Analysis節(jié)點(diǎn)Setup1，在彈出的選項(xiàng)中選擇添加自由提示，你可以設(shè)定頻率范圍和步驟。需要特別說明的是，這是建立模型之前的，窗口中顯示的類型是插值掃頻，在我們后面的設(shè)計(jì)中，不涉及選擇類型的問題。圖3-8掃頻設(shè)置界面（8）進(jìn)行仿真在建立好模型后，可以查看基礎(chǔ)參數(shù)，看看有沒有什么問題，然后點(diǎn)擊HSFF中的ValidationCheck，確認(rèn)天線是否正確，如果沒有問題，就可以進(jìn)行模