Antennenentwurf mit Ansys HFSS

Treten Sie dem Forum für Designer bei!

Ihr Fachwissen ist wichtig für die Gemeinschaft. Helfen Sie uns und bringen Sie Ihr Wissen ein!

Tauschen Sie sich aus, lernen Sie und wachsen Sie mit den besten Fachleuten der Branche.

Antennen spielen in modernen Kommunikations- und Radarsystemen eine entscheidende Rolle. Sie ermöglichen die Übertragung und den Empfang von elektromagnetischen Signalen über verschiedene Plattformen. Die Entwicklung effizienter Antennen erfordert ein tiefes Verständnis der elektromagnetischen Prinzipien, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über den Arbeitsablauf der Antennensimulation in Ansys HFSS, einem leistungsstarken Design-Tool, das für seine Fähigkeit zur genauen Simulation elektromagnetischer Felder bekannt ist.

Mit HFSS wird das Design von Antennen nicht nur effizient, sondern auch intuitiv. Die benutzerfreundliche Oberfläche in Verbindung mit fortschrittlichen Funktionen wie der parametrischen Analyse und Optimierungsalgorithmen macht es einfach, eine breite Palette von Antennenkonfigurationen zu untersuchen und Entwürfe schnell zu iterieren, um eine Lösung zu finden, die den Anforderungen entspricht.

Modell-Geometrie

Zu Beginn können Benutzer die intuitive Benutzeroberfläche nutzen, um die Antennengeometrie zu zeichnen, die von einfachen Strukturen wie Drahtantennen bis zu komplexen Array-Konfigurationen reichen kann. Einer der Hauptvorteile von HFSS ist die Unterstützung für parametrisierte Geometrie, die es dem Benutzer ermöglicht, geometrische Dimensionen mit Hilfe von Variablen anstelle von festen Werten zu definieren. Dies ermöglicht eine einfache Erkundung von Designvarianten und erleichtert parametrische Studien zur Optimierung der Antennenleistung.

Das Bild unten zeigt ein vollständig parametrisiertes Modell einer runden Patch-Antenne mit Sondenspeisung. Die Ansicht Eigenschaften unterhalb des Projektmanagers zeigt, dass die Substratabmessungen parametrisiert wurden. Der Bereich Zeichnen des Menübands zeigt viele der 1D-, 2D- und 3D-Zeichenoperationen und booleschen Operationen, die zur Erstellung der Modellgeometrie verwendet werden können.

Sobald die Geometrie des Antennenelements und der Speisestruktur definiert ist, ist die Erstellung einer Airbox um die Antenne ein wichtiger Schritt. Die Größe der Airbox dient dazu, die Grenzen des Simulationsbereichs festzulegen und eine genaue Darstellung der elektromagnetischen Umgebung der Antenne zu gewährleisten. In dem oben gezeigten Modell wird die Airbox als Region in der Drahtgitteransicht erstellt.

Materialeigenschaften und Randbedingungen

Den Objekten innerhalb des Modells, einschließlich der Antennenelemente, der PCB-Substrate und der umgebenden Strukturen, werden Materialeigenschaften zugewiesen. Die Materialeigenschaften bestimmen, wie elektromagnetische Wellen mit den Objekten interagieren. Zu den für die Antennensimulation relevanten Materialeigenschaften gehören die dielektrische Permittivität, der dielektrische Verlusttangens und die elektrische Leitfähigkeit. Durch die genaue Angabe der Materialeigenschaften können Benutzer Antennen in realistischen Umgebungen simulieren und ihre Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen bewerten.

HFSS enthält eine Materialbibliothek, die viele Materialien enthält, die häufig beim Antennendesign verwendet werden. Benutzer können der Bibliothek eigene Materialien hinzufügen. Die Materialeigenschaften können frequenzabhängig, anisotrop, ortsabhängig und/oder temperaturabhängig sein. Das Bild unten zeigt die Definition der Materialbibliothek für das im Patch-Antennenmodell verwendete Substratmaterial.

Randbedingungen spielen eine wichtige Rolle bei der Definition des Verhaltens von elektromagnetischen Feldern an den Grenzen der Simulationsdomäne sowie für 2D-Objekte. Für Antennen bietet HFSS mehrere Optionen zur Festlegung von Randbedingungen, die einen offenen Raum imitieren, in dem sich elektromagnetische Wellen frei und ohne Reflexionen ausbreiten können. Dazu gehören absorbierende Randbedingungen zweiter Ordnung (ABC), perfekt angepasste Schichten (PML) und Finite Element Boundary Integral (FE-BI) Abschlüsse. Die Abbildung unten zeigt eine absorbierende Randbedingung, die den Außenflächen der Airbox-Region zugewiesen wurde.

Für elektrisch leitende 2D-Objekte wie Antennen und Masseflächen wird eine Randbedingung für endliche Leitfähigkeit zugewiesen. HFSS enthält mehrere Oberflächenrauhigkeitsmodelle, die auf diese Begrenzungen angewandt werden können, um die Eigenschaften der gefertigten Antenne genau abzubilden. Andere Randbedingungen, die häufig in Antennenmodellen verwendet werden, sind Symmetrieebenen, periodische Grenzen und Impedanzgrenzen. Die Bilder unten zeigen Randbedingungen für die endliche Leitfähigkeit, die der Patch-Antenne und der Grundplatte zugewiesen wurden.

Port-Anregungen

Die Zuweisung von Ports für Antennenanregungen ist ein wichtiger Schritt, um eine genaue Simulation der Antennenleistung und des Verhaltens zu gewährleisten. Wie bei Messungen bieten Ports eine bequeme Möglichkeit, die Eingangsimpedanz und die Anpassungseigenschaften der Antenne zu analysieren. Ports werden verwendet, um die Streuparameter (S-Parameter) zu erhalten, die den Frequenzgang der Antennenimpedanz und jegliche Kopplung zwischen mehreren Elementen charakterisieren.

Wave Ports werden in der Regel zur Simulation von Hohlleiterantennen und koaxial gespeisten Antennen verwendet und liefern eine 2D-Feldlösung einschließlich der charakteristischen Impedanz und der Ausbreitungskonstante. Die Phasenreferenz des Ports kann durch De-Embedding über die Länge der Zuleitung angepasst werden. Lumped Ports können verwendet werden, um eine direkte Anregung an bestimmten Stellen, z.B. zwischen den Armen einer Dipolantenne, zu erhalten. Der Benutzer legt die Referenzimpedanz für die eingeprägte Anregung fest.

Die Abbildung unten zeigt einen Wave Port, der dem Koaxialkabel zugeordnet ist, das die Patch-Antenne speist. Für diese Art von Szenario, bei dem sich ein Wave Port innerhalb des Modellvolumens befindet, wird ein leitendes Objekt zur Unterstützung des Ports verwendet. Der Pfeil kennzeichnet den De-Embedding-Abstand für die Port-Definition.

Lösung Setup

Der letzte Schritt vor dem Lösen des Modells ist die Festlegung der Lösungsparameter. Dazu gehört die Festlegung der adaptiven Vernetzungsfrequenz, der Art des Frequenzsweeps und der Auflösung sowie der Lösungsparameter in Bezug auf die Konvergenz. Die adaptive Lösungsfrequenz kann auf die höchste Frequenz festgelegt werden, die von Interesse ist, um sicherzustellen, dass ein gutes Netz erhalten wird. Das Netz kann auch bei mehreren Frequenzen oder über ein bestimmtes Frequenzband hinweg angepasst werden. Der Standardkonvergenzparameter für Antennenmodelle, die Ports enthalten, ist die maximale Differenz der S-Parameterwerte zwischen dem aktuellen und dem vorherigen adaptiven Durchlauf. Das Bild links unten zeigt eine Lösung, die so eingestellt ist, dass sie bei 11,6 GHz so lange adaptiv vernetzt wird, bis die Änderung der S-Parameterwerte unter 1,5 % liegt. Auf der rechten Seite sehen Sie die Registerkarte Optionen. HFSS ist so eingestellt, dass es die Standard-Netzelemente erster Ordnung verwendet und automatisch den am besten geeigneten Matrixlöser auswählt.

Konvergenz-Prozess

HFSS verwendet die Finite-Elemente-Methode zur Lösung der Maxwell-Gleichungen und wendet einen adaptiven Vernetzungsalgorithmus an, der auf intelligente Weise Vernetzungselemente im gesamten Lösungsbereich hinzufügt, bis die festgelegten Konvergenzkriterien erreicht sind. Wie in der Abbildung unten zu sehen ist, hat dieses Beispiel-Patch-Antennenmodell 9 adaptive Durchläufe absolviert, wobei die letzten beiden Durchläufe beide den Konvergenzwert von 1,5% für die S-Parameter erreichten. Die Lösungszeit betrug 2 Minuten auf einem normalen Desktop-Computer mit 7 Kernen und die endgültige Modellgröße betrug etwa 41.000 tetraedrische Netzelemente.

Finite-Elemente-Netz

HFSS verwendet eine automatisch adaptive Meshing-Technik, um elektromagnetische Phänomene effizient und genau zu simulieren. Diese adaptive Vernetzung legt die lokale Netzdichte auf der Grundlage der elektromagnetischen Feldvariationen innerhalb der Simulationsdomäne fest. Darüber hinaus bietet HFSS dem Benutzer die Kontrolle über die Mesh-Einstellungen und Verfeinerungskriterien sowie die Möglichkeit, Mesh-Operationen zu erstellen, die eine bestimmte Mesh-Dichte in bestimmten Bereichen des Modells erzwingen.

Auf der Grundlage der Geometrie und des Lambda-Verfeinerungswerts wird ein Anfangsnetz erstellt. Während der adaptiven Durchläufe überwacht HFSS die Verteilung des elektromagnetischen Feldes und verfeinert das Netz in Regionen mit starken Feldschwankungen. Durch die Konzentration von Rechenressourcen in diesen kritischen Bereichen stellt HFSS sicher, dass die Simulation die angegebene Konvergenzanforderung mit dem effizientesten Netz erreicht.

Das Bild unten zeigt das Netz, das HFSS automatisch auf der Oberseite des Substrats der Patch-Antenne erstellt. Wie zu erwarten, wird der Rand des kreisförmigen Patches am meisten verfeinert, da sich dort die elektromagnetischen Felder bei dieser Art von Antenne konzentrieren.

S-Parameter Ergebnisse

Mit HFSS können Benutzer die S-Parameter für die Antennenstruktur einfach anzeigen. Diese Parameter beschreiben, wie sich elektromagnetische Signale in der Antenne ausbreiten und mit angeschlossenen Komponenten oder Übertragungsleitungen interagieren. Durch die Untersuchung von S-Parametern können Designer verschiedene Leistungskennzahlen bewerten, darunter Impedanzanpassung, Rückflussdämpfung und Bandbreite. Außerdem ermöglicht die S-Parameter-Analyse die Optimierung von Anpassungsnetzwerken und Speisestrukturen, um die Effizienz und Leistung der Antenne zu verbessern.

Die folgenden Diagramme zeigen die Eingangsrückflussdämpfung und die Impedanz des Patch-Antennenmodells, das eine gut angepasste Resonanz bei 11,59 GHz aufweist. Die Impedanzantwort kann im Smith-Diagramm betrachtet werden, in dem die mittlere Position dem Zustand der Impedanzanpassung entspricht.

Fernfeld-Ergebnisse

Die Betrachtung von Fernfeldergebnissen wie Antennendiagrammen und Gewinn hilft Antenneningenieuren, die Abstrahlcharakteristiken und Richtungseigenschaften ihres Designs zu verstehen. Mit HFSS können Benutzer auf einfache Weise eine Vielzahl von 2D- und 3D-Fernfelddiagrammen und -berichten erstellen, um wichtige Parameter wie Richtwirkung, Gewinn, Strahlungsbreite und Strahlungseffizienz zu bewerten. Diese Informationen können zur Optimierung von Antennendesigns verwendet werden, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen. Die Bilder unten zeigen Ansichten des Fernfeldmusters, das der Patch-Antennengeometrie überlagert werden kann, um die Ausbreitungsrichtung anzuzeigen.

Nahfeld-Ergebnisse

Benutzer können auch das Verhalten des elektromagnetischen Feldes innerhalb des Lösungsbereichs untersuchen. Diese Funktion liefert wertvolle Erkenntnisse darüber, wie elektromagnetische Wellen mit Antennenstrukturen interagieren und in die Umgebung abstrahlen. Die Benutzer können sowohl die elektrischen als auch die magnetischen Felder in Betrags- und Vektorformaten visualisieren, wodurch ersichtlich wird, wie Einzel- und Multi-Feed-Antennen die abstrahlenden Wellen für eine gewünschte Polarisation erzeugen.

HFSS ermöglicht es dem Benutzer, die Lösungen des elektromagnetischen Feldes gegenüber der Phase für die zeitharmonische Lösung zu animieren, was eine dynamische Visualisierung der Feldausbreitung und der Interaktion ermöglicht. Diese Funktion ist nützlich, um die gegenseitige Kopplung zwischen Antennenelementen und andere wichtige Phänomene in Multi-Antennen-Designs zu verstehen. Durch die Visualisierung dieser elektromagnetischen Feldverteilungen und Animationen können Benutzer Designverbesserungen identifizieren und fundierte Entscheidungen treffen, um die gewünschten Leistungsziele zu erreichen.

Das Bild unten zeigt die Größe des elektrischen Feldes in der YZ-Ebene für die kreisförmige Patch-Antenne. Das Bild wird auf einer logarithmischen Skala angezeigt, und es gibt viele Anzeigeoptionen, mit denen der Benutzer das Erscheinungsbild der Darstellung für Präsentationen und Berichte anpassen kann. Das Felddiagramm zeigt, wie die Patch-Antenne vom Umfang abstrahlt und eine sich ausbreitende Welle erzeugt, die auf dem Patch zentriert ist.

Treten Sie dem Forum für Designer bei!

Ihr Fachwissen ist wichtig für die Gemeinschaft. Helfen Sie uns und bringen Sie Ihr Wissen ein!

Tauschen Sie sich aus, lernen Sie und wachsen Sie mit den besten Fachleuten der Branche.