天线在现代通信和雷达系统中发挥着至关重要的作用，能够在各种平台上传输和接收电磁信号。设计高效的天线需要深入了解电磁原理，以确保最佳性能。Ansys HFSS 是一款功能强大的设计工具，以精确模拟电磁场而著称。
有了 HFSS，天线设计不仅变得高效，而且变得直观。友好的用户界面与参数分析和优化算法等先进功能相结合，可以轻松探索各种天线配置，并快速重复设计以获得满足要求的解决方案。
模型几何
首先，用户可以利用直观的界面绘制天线几何图形，范围从简单的结构（如导线天线）到复杂的阵列配置。HFSS 的主要优势之一是支持参数化几何，允许用户使用变量而不是固定值来定义几何尺寸。这样就可以轻松探索设计变化，便于进行参数研究，优化天线性能。
下图显示了一个完全参数化的探针馈电圆形贴片天线模型。项目管理器 “下方的 “属性 “视图显示基片尺寸已被参数化。功能区的 “绘图 “窗格显示了许多一维、二维和三维绘图操作以及布尔操作，可用于创建模型的几何形状。
一旦定义了天线元件和馈电结构的几何形状，创建天线周围的空气箱就是一个重要步骤。空气箱的尺寸可用于确定仿真域的边界，并确保准确呈现天线的电磁环境。在上图的模型中，空气箱被创建为线框视图中的一个区域。
材料属性和边界条件
材料属性分配给模型内的对象，包括天线元件、印刷电路板基板和周围结构。材料属性定义了电磁波与物体的交互方式。天线仿真的相关材料属性包括介电常数、介质损耗正切和导电率。通过准确指定材料属性，用户可以模拟真实环境中的天线，并评估其在不同工作条件下的性能。
HFSS 包含一个材料库，其中有许多天线设计中常用的材料。用户可以在材料库中添加自定义材料。材料属性可以与频率相关、各向异性、空间相关和/或温度相关。下图显示了贴片天线模型中使用的衬底材料的材料库定义。
边界条件在定义仿真域边界的电磁场行为以及 2D 物体的电磁场行为方面起着重要作用。对于天线，HFSS 提供了多个选项来指定边界条件，以模拟开放空间，允许电磁波自由传播而不产生反射。这些选项包括二阶吸收边界条件 (ABC)、完全匹配层 (PML) 和有限元边界积分 (FE-BI) 终止。下图显示了分配给空气箱区域外表面的吸收边界条件。
对于二维导电物体，如天线和接地平面，会指定一个有限传导边界条件。HFSS 包括多种表面粗糙度模型，可应用于这些边界，以密切匹配制造天线的特性。天线模型中经常使用的其他边界条件包括对称平面、周期性边界和阻抗边界。下面的图片显示了分配给贴片天线和地平面的有限传导边界条件。
端口激励
为天线馈电激励分配端口是确保准确模拟天线性能和行为的重要步骤。与测量一样，端口提供了分析天线输入阻抗和匹配特性的便捷方法。端口可用于获取散射参数（S 参数），这些参数可描述天线阻抗的频率响应以及多个元件之间的耦合。
波端口通常用于模拟波导天线和同轴馈源天线，并提供包括特性阻抗和传播常数在内的二维场解决方案。端口的相位基准可通过沿馈线长度方向去嵌入来调整。 结块端口可用于在特定位置（如偶极子天线的两臂之间）提供直接激励。用户可指定激励的参考阻抗。
下图显示了分配给馈给贴片天线的同轴电缆的波端口。在这种情况下，当波端口位于模型体内部时，会使用一个导电物体来支撑端口。箭头表示端口定义的去嵌入距离。
解决方案设置
模型求解前的最后一步是指定求解参数。这包括定义自适应网格频率、频率扫描类型和分辨率，以及与收敛相关的求解参数。自适应求解频率可指定为感兴趣的最高频率，以确保获得良好的网格。网格也可以在指定的多个频率或指定的频段内进行调整。对于包含端口的天线模型，默认的收敛参数是当前和上一次自适应通过之间 S 参数值的最大差值。下图左侧显示的是在 11.6 GHz 频率上自适应网格的解决方案，直到 S 参数值的变化低于 1.5%。右侧显示的是选项选项卡，HFSS 设置为使用默认的一阶网格元素，并自动选择最合适的矩阵求解器。
收敛过程
HFSS 采用有限元法求解麦克斯韦方程，并应用自适应网格算法，在整个求解域中智能添加网格元素，直到达到指定的收敛标准。如下图所示，该贴片天线模型完成了 9 次自适应网格划分，最后两次网格划分均达到了 1.5% 的 S 参数收敛值。在一台使用 7 个内核的普通台式电脑上，求解时间为 2 分钟，最终模型大小约为 41,000 个四面体网格元素。
有限元网格
HFSS 采用自动自适应网格划分技术，可高效、准确地模拟电磁现象。这种自适应网格划分功能可根据仿真域内的电磁场变化指定局部网格密度。此外，HFSS 还为用户提供了对网格设置和细化标准的控制，以及创建网格操作的能力，从而在模型的指定区域强制执行一定的网格密度。
根据几何形状和 lambda 细分值创建初始网格。在完成自适应传递时，HFSS 会监控电磁场分布，并在高场变化区域细化网格。通过在这些关键区域集中计算资源，HFSS 可确保仿真以最高效的网格达到指定的收敛要求。
下图显示了 HFSS 在贴片天线基底顶面自动创建的网格。不出所料，圆形贴片的边缘被细化得最多，因为那里是此类天线的电磁场集中区域。
S 参数结果
通过 HFSS，用户可以轻松查看天线结构的 S 参数。这些参数描述了电磁信号如何传播到天线中并与连接的组件或传输线相互作用。通过检查 S 参数，设计人员可以评估各种性能指标，包括阻抗匹配、回波损耗和带宽。此外，S 参数分析还能优化匹配网络和馈电结构，从而提高天线效率和性能。
下图显示了贴片天线模型的输入回波损耗和阻抗，显示了 11.59 GHz 处的良好匹配谐振。阻抗响应可在史密斯图上查看，其中中心位置对应于阻抗匹配条件。
远场结果
查看天线模式和增益等远场结果有助于天线工程师了解其设计的辐射特性和方向属性。HFSS 允许用户轻松创建各种二维和三维远场图和报告，以评估包括指向性、增益、波束宽度和辐射效率在内的重要参数。这些信息可用于优化天线设计，以满足性能要求。下面的图片显示了远场模式的视图，可以叠加到贴片天线的几何图形上以指示传播方向。
近场结果
用户还可以检查求解域内的电磁场行为。这一功能为了解电磁波如何与天线结构相互作用并辐射到周围环境提供了宝贵的见解。用户可将电场和磁场以幅度和矢量格式可视化，从而揭示单馈电和多馈电天线如何产生所需极化的辐射波。
HFSS 使用户能够将电磁场解与时谐解的相位进行动画比较，从而实现场传播和相互作用的动态可视化。该功能有助于了解天线元件之间的相互耦合以及多天线设计中的其他重要现象。通过可视化这些电磁场分布和动画，用户可以确定设计改进措施，并做出明智的决策，以实现预期的性能目标。
下图显示了圆形贴片天线 YZ 平面上的电场幅值。该图使用对数刻度显示，有许多显示选项，用户可以自定义图的外观，以便在演示和报告中使用。场图显示了贴片天线如何从周边辐射产生以贴片为中心的传播波。
