تلعب الهوائيات دورًا حاسمًا في أنظمة الاتصالات والرادار الحديثة، مما يتيح إرسال واستقبال الإشارات الكهرومغناطيسية عبر منصات مختلفة. يتطلب تصميم هوائيات فعالة فهمًا عميقًا للمبادئ الكهرومغناطيسية لضمان الأداء الأمثل. يقدم هذا المنشور نظرة عامة على سير عمل محاكاة الهوائي في Ansys HFSS، وهي أداة تصميم قوية تشتهر بقدرتها على محاكاة المجالات الكهرومغناطيسية بدقة.
مع HFSS، لا يصبح تصميم الهوائيات فعالاً فحسب، بل يصبح أيضًا بديهيًا. تعمل الواجهة سهلة الاستخدام إلى جانب الميزات المتقدمة مثل التحليل البارامتري وخوارزميات التحسين على تسهيل استكشاف مجموعة واسعة من تكوينات الهوائي وتكرار التصميمات بسرعة لتحقيق حل يلبي المتطلبات.
الهندسة النموذجية
للبدء، يمكن للمستخدمين الاستفادة من الواجهة البديهية لرسم هندسة الهوائي، والتي يمكن أن تتراوح من الهياكل البسيطة مثل الهوائيات السلكية إلى تكوينات المصفوفة المعقدة. إحدى المزايا الرئيسية لـ HFSS هي دعمها للهندسة ذات المعلمات، مما يسمح للمستخدمين بتحديد الأبعاد الهندسية باستخدام المتغيرات بدلاً من القيم الثابتة. يتيح ذلك استكشافًا سهلاً لاختلافات التصميم ويسهل الدراسات البارامترية لتحسين أداء الهوائي.
تُظهر الصورة أدناه نموذجًا لهوائي التصحيح الدائري الذي يتم تغذيته بمسبار ذي معلمات كاملة. تُظهر طريقة عرض الخصائص الموجودة أسفل مدير المشروع أن أبعاد الركيزة قد تم تحديد معلماتها. يعرض جزء الرسم على الشريط العديد من عمليات الرسم أحادية وثنائية وثلاثية الأبعاد والعمليات المنطقية التي يمكن استخدامها لإنشاء الشكل الهندسي للنموذج.
بمجرد تحديد هندسة عنصر الهوائي وبنية التغذية، يعد إنشاء صندوق هوائي حول الهوائي خطوة مهمة. يعمل حجم صندوق الهواء على تحديد حدود مجال المحاكاة وضمان التمثيل الدقيق للبيئة الكهرومغناطيسية للهوائي. في النموذج الموضح أعلاه، يتم إنشاء صندوق الهواء كمنطقة موضحة في عرض الإطار السلكي.
خصائص المواد وشروط الحدود
يتم تعيين خصائص المواد للكائنات داخل النموذج، بما في ذلك عناصر الهوائي وركائز ثنائي الفينيل متعدد الكلور والهياكل المحيطة. تحدد خصائص المادة كيفية تفاعل الموجات الكهرومغناطيسية مع الأشياء. تشمل خصائص المواد ذات الصلة لمحاكاة الهوائي السماحية العازلة، وظل فقدان العزل الكهربائي، والتوصيل الكهربائي. ومن خلال التحديد الدقيق لخصائص المواد، يمكن للمستخدمين محاكاة الهوائيات في بيئات واقعية وتقييم أدائها في ظل ظروف تشغيل مختلفة.
يشتمل HFSS على مكتبة مواد تحتوي على العديد من المواد المستخدمة غالبًا في تصميم الهوائي. يمكن للمستخدمين إضافة مواد مخصصة إلى المكتبة. يمكن أن تكون خصائص المواد معتمدة على التردد، متباينة الخواص، معتمدة على المكان، و/أو معتمدة على درجة الحرارة. توضح الصورة أدناه تعريف مكتبة المواد لمادة الركيزة المستخدمة في نموذج هوائي التصحيح.
تلعب الشروط الحدودية دورًا مهمًا في تحديد سلوك المجالات الكهرومغناطيسية عند حدود مجال المحاكاة وكذلك الكائنات ثنائية الأبعاد. بالنسبة للهوائيات، يوفر HFSS خيارات متعددة لتحديد الظروف الحدودية التي تحاكي مساحة مفتوحة، مما يسمح للموجات الكهرومغناطيسية بالانتشار بحرية دون انعكاسات. وتشمل هذه الشروط الحدودية الممتصة من الدرجة الثانية (ABC)، والطبقات المتطابقة تمامًا (PML)، والإنهاءات المتكاملة لحدود العناصر المحدودة (FE-BI). توضح الصورة أدناه حالة حدود الامتصاص المخصصة للأوجه الخارجية لمنطقة صندوق الهواء.
بالنسبة للأجسام الموصلة كهربائيًا ثنائية الأبعاد مثل الهوائيات والطائرات الأرضية، يتم تعيين حالة حدود موصلية محدودة. يتضمن HFSS نماذج خشونة سطحية متعددة يمكن تطبيقها على هذه الحدود لتتوافق بشكل وثيق مع خصائص الهوائي المُصنع. تتضمن شروط الحدود الأخرى المستخدمة غالبًا في نماذج الهوائي مستويات التناظر والحدود الدورية وحدود المعاوقة. تُظهر الصور أدناه شروط حدود التوصيلية المحدودة المخصصة لهوائي التصحيح والمستوى الأرضي.
الإثارة الميناء
يعد تعيين منافذ لإثارة تغذية الهوائي خطوة مهمة لضمان محاكاة دقيقة لأداء الهوائي وسلوكه. كما هو الحال في القياسات، توفر المنافذ طريقة ملائمة لتحليل مقاومة دخل الهوائي وخصائص المطابقة. تُستخدم المنافذ للحصول على معلمات الانتثار (معلمات S) التي تميز استجابة التردد لممانعة الهوائي وأي اقتران بين عناصر متعددة.
تُستخدم منافذ الموجة بشكل شائع لمحاكاة هوائيات الدليل الموجي والهوائيات ذات التغذية المحورية، وتوفير حل مجال ثنائي الأبعاد بما في ذلك المعاوقة المميزة وثابت الانتشار. يمكن تعديل مرجع الطور للمنفذ عن طريق إزالة التضمين على طول خط التغذية. يمكن استخدام المنافذ المجمعة لتوفير الإثارة المباشرة في مواقع محددة مثل بين أذرع هوائي ثنائي القطب. يحدد المستخدم المعاوقة المرجعية للإثارة المعجبة.
تُظهر الصورة أدناه منفذ موجة مخصصًا للكابل متحد المحور الذي يغذي هوائي التصحيح. بالنسبة لهذا النوع من السيناريوهات، عندما يوجد منفذ موجة داخل وحدة تخزين النموذج، يتم استخدام كائن موصل لدعم المنفذ. يشير السهم إلى مسافة إزالة التضمين لتعريف المنفذ.
إعداد الحل
الخطوة الأخيرة قبل حل النموذج هي تحديد معلمات الحل. يتضمن ذلك تحديد تردد الشبكات التكيفية ونوع مسح التردد والدقة ومعلمات الحل المتعلقة بالتقارب. يمكن تحديد تردد الحل التكيفي بأعلى تردد مهم لضمان الحصول على شبكة جيدة. يمكن أيضًا تكييف الشبكة عند ترددات متعددة محددة أو عبر نطاق تردد محدد. معلمة التقارب الافتراضية لنماذج الهوائي التي تتضمن منافذ هي الحد الأقصى للفرق في قيم المعلمة S بين التمرير التكيفي الحالي والسابق. تُظهر الصورة الموجودة على اليسار أدناه حلاً تم ضبطه على الشبكة التكيفية عند 11.6 جيجا هرتز حتى يصبح التغيير في قيم المعلمة S أقل من 1.5٪. تظهر علامة التبويب “خيارات” على اليمين مع تعيين HFSS لاستخدام عناصر الشبكة الافتراضية من الدرجة الأولى وتحديد حل المصفوفة الأكثر ملاءمة تلقائيًا.
عملية التقارب
يستخدم HFSS طريقة العناصر المحدودة لحل معادلات ماكسويل، ويطبق خوارزمية شبكية تكيفية تضيف عناصر شبكية بذكاء عبر مجال الحل حتى يتم الوصول إلى معايير التقارب المحددة. كما هو موضح في الصورة أدناه، أكمل نموذج هوائي التصحيح هذا 9 تمريرات تكيفية مع تلبية التمريرتين الأخيرتين لقيمة تقارب المعلمة S بنسبة 1.5%. كان وقت الحل دقيقتين على كمبيوتر مكتبي عادي باستخدام 7 مراكز، وكان حجم النموذج النهائي حوالي 41000 عنصر شبكي رباعي السطوح.
شبكة العناصر المحدودة
يستخدم HFSS تقنية ربط شبكي قابلة للتكيف تلقائيًا لمحاكاة الظواهر الكهرومغناطيسية بكفاءة ودقة. تحدد قدرة الشبكات التكيفية هذه كثافة الشبكة المحلية بناءً على اختلافات المجال الكهرومغناطيسي داخل مجال المحاكاة. بالإضافة إلى ذلك، يوفر HFSS للمستخدمين التحكم في إعدادات الشبكة ومعايير التحسين بالإضافة إلى القدرة على إنشاء عمليات شبكية تفرض كثافة شبكية معينة في مناطق محددة من النموذج.
يتم إنشاء شبكة أولية بناءً على الشكل الهندسي وقيمة تحسين لامدا. عند اكتمال التمريرات التكيفية، يراقب HFSS توزيع المجال الكهرومغناطيسي ويحسن الشبكة في المناطق ذات التباين العالي في المجال. ومن خلال تركيز الموارد الحسابية في هذه المجالات الحيوية، يضمن نظام HFSS أن تحقق المحاكاة متطلبات التقارب المحددة مع الشبكة الأكثر كفاءة.
تُظهر الصورة أدناه الشبكة التي يتم إنشاؤها تلقائيًا بواسطة HFSS على السطح العلوي لركيزة هوائي التصحيح. كما هو متوقع، تم تحسين حافة الرقعة الدائرية أكثر من غيرها حيث تتركز المجالات الكهرومغناطيسية لهذا النوع من الهوائيات.
نتائج المعلمة S
مع HFSS، يمكن للمستخدمين بسهولة عرض معلمات S لهيكل الهوائي. تصف هذه المعلمات كيفية انتشار الإشارات الكهرومغناطيسية داخل الهوائي وتفاعلها مع المكونات المتصلة أو خطوط النقل. من خلال فحص معلمات S، يمكن للمصممين تقييم مقاييس الأداء المختلفة، بما في ذلك مطابقة المعاوقة، وفقدان الإرجاع، وعرض النطاق الترددي. بالإضافة إلى ذلك، يتيح تحليل S-parameter تحسين الشبكات المطابقة وهياكل التغذية لتعزيز كفاءة الهوائي وأدائه.
تُظهر المخططات أدناه خسارة عودة المدخلات والممانعة لنموذج هوائي التصحيح، مما يُظهر رنينًا متطابقًا جيدًا عند 11.59 جيجا هرتز. يمكن رؤية استجابة المعاوقة على مخطط سميث، حيث يتوافق الموقع المركزي مع حالة المعاوقة المطابقة.
نتائج المجال البعيد
إن عرض نتائج المجال البعيد مثل أنماط الهوائي وكسبه يساعد مهندسي الهوائي على فهم خصائص الإشعاع والخصائص الاتجاهية لتصميمهم. يتيح HFSS للمستخدمين إنشاء مجموعة متنوعة من المخططات والتقارير ثنائية وثلاثية الأبعاد للمجال البعيد بسهولة لتقييم المعلمات المهمة بما في ذلك الاتجاهية والكسب وعرض الحزمة وكفاءة الإشعاع. يمكن استخدام هذه المعلومات لتحسين تصميمات الهوائي لتلبية متطلبات الأداء. تُظهر الصور أدناه مناظر لنمط المجال البعيد الذي يمكن تراكبه على هندسة هوائي الرقعة للإشارة إلى اتجاه الانتشار.
نتائج المجال القريب
يمكن للمستخدمين أيضًا فحص سلوك المجال الكهرومغناطيسي ضمن مجال الحل. توفر هذه القدرة رؤى قيمة حول كيفية تفاعل الموجات الكهرومغناطيسية مع هياكل الهوائي وإشعاعها في البيئة المحيطة. يمكن للمستخدمين تصور كل من المجالات الكهربائية والمغناطيسية من حيث الحجم وتنسيقات المتجهات، والتي يمكن أن تكشف عن كيفية قيام الهوائيات الفردية والمتعددة التغذية بإنشاء موجات مشعة للاستقطاب المطلوب.
يمكّن HFSS المستخدمين من تحريك حلول المجال الكهرومغناطيسي مقابل مرحلة الحل التوافقي الزمني، مما يسمح بالتصور الديناميكي لانتشار المجال والتفاعل. تعد هذه الميزة مفيدة لفهم الاقتران المتبادل بين عناصر الهوائي والظواهر المهمة الأخرى في التصميمات متعددة الهوائيات. ومن خلال تصور توزيعات المجال الكهرومغناطيسي والرسوم المتحركة هذه، يمكن للمستخدمين تحديد تحسينات التصميم واتخاذ قرارات مستنيرة لتحقيق أهداف الأداء المطلوبة.
توضح الصورة أدناه حجم المجال الكهربائي في مستوى YZ لهوائي التصحيح الدائري. يتم عرض الصورة باستخدام مقياس لوغاريتمي، وهناك العديد من خيارات العرض التي تسمح للمستخدم بتخصيص مظهر الحبكة لاستخدامها في العروض التقديمية والتقارير. يوضح المخطط الميداني كيف يشع هوائي الرقعة من المحيط لينتج موجة انتشار تتمركز حول الرقعة.
