Las antenas desempeñan un papel crucial en los modernos sistemas de comunicación y radar, ya que permiten la transmisión y recepción de señales electromagnéticas a través de diversas plataformas. El diseño de antenas eficientes exige un profundo conocimiento de los principios electromagnéticos para garantizar un rendimiento óptimo. Este post ofrece una visión general del flujo de trabajo de simulación de antenas en Ansys HFSS, una potente herramienta de diseño famosa por su capacidad para simular con precisión los campos electromagnéticos.
Con HFSS, el diseño de antenas no sólo resulta eficaz, sino también intuitivo. La interfaz fácil de usar, junto con funciones avanzadas como el análisis paramétrico y los algoritmos de optimización, facilitan la exploración de una amplia gama de configuraciones de antena y la rápida iteración de los diseños para lograr una solución que cumpla los requisitos.
Geometría del modelo
Para empezar, los usuarios pueden utilizar la interfaz intuitiva para dibujar la geometría de la antena, que puede ir desde estructuras sencillas como antenas de hilo hasta configuraciones de array complejas. Una de las principales ventajas de HFSS es su compatibilidad con la geometría parametrizada, que permite a los usuarios definir las dimensiones geométricas utilizando variables en lugar de valores fijos. Esto permite explorar fácilmente las variaciones de diseño y facilita los estudios paramétricos para optimizar el rendimiento de la antena.
La imagen inferior muestra un modelo de antena de parche circular alimentada por sonda totalmente parametrizado. La vista de propiedades situada debajo del gestor de proyectos muestra que se han parametrizado las dimensiones del sustrato. El panel Dibujar de la cinta muestra muchas de las operaciones de dibujo en 1D, 2D y 3D y operaciones booleanas que pueden utilizarse para crear la geometría del modelo.
Una vez definida la geometría del elemento de antena y la estructura de alimentación, crear una caja de aire alrededor de la antena es un paso importante. El tamaño de la caja de aire sirve para establecer los límites del dominio de simulación y garantizar una representación precisa del entorno electromagnético de la antena. En el modelo mostrado arriba, la caja de aire se crea como una región mostrada en vista wireframe.
Propiedades de los materiales y condiciones de contorno
Las propiedades de los materiales se asignan a los objetos del modelo, incluidos los elementos de la antena, los sustratos de las placas de circuito impreso y las estructuras circundantes. Las propiedades del material definen cómo interactúan las ondas electromagnéticas con los objetos. Las propiedades materiales relevantes para la simulación de antenas incluyen la permitividad dieléctrica, la tangente de pérdida dieléctrica y la conductividad eléctrica. Especificando con precisión las propiedades de los materiales, los usuarios pueden simular antenas en entornos realistas y evaluar su rendimiento en diferentes condiciones de funcionamiento.
HFSS incluye una biblioteca de materiales que contiene muchos materiales utilizados a menudo en el diseño de antenas. Los usuarios pueden añadir materiales personalizados a la biblioteca. Las propiedades del material pueden ser dependientes de la frecuencia, anisótropas, dependientes del espacio y/o dependientes de la temperatura. La imagen siguiente muestra la definición de la biblioteca de materiales para el material del sustrato utilizado en el modelo de antena de parche.
Las condiciones de contorno juegan un papel importante en la definición del comportamiento de los campos electromagnéticos en los límites del dominio de simulación, así como para objetos 2D. Para antenas, HFSS proporciona múltiples opciones para especificar condiciones de contorno que imitan un espacio abierto, permitiendo que las ondas electromagnéticas se propaguen libremente sin reflexiones. Entre ellas se incluyen las condiciones de contorno absorbentes de segundo orden (ABC), las capas perfectamente adaptadas (PML) y las terminaciones integrales de contorno de elementos finitos (FE-BI). La imagen inferior muestra una condición límite absorbente asignada a las caras exteriores de la región de la caja de aire.
Para los objetos conductores de electricidad en 2D, como antenas y planos de tierra, se asigna una condición límite de conductividad finita. HFSS incluye múltiples modelos de rugosidad superficial que pueden aplicarse a estos límites para ajustarse con precisión a las propiedades de la antena fabricada. Otras condiciones de contorno utilizadas a menudo en los modelos de antena son los planos de simetría, los contornos periódicos y los contornos de impedancia. Las imágenes siguientes muestran las condiciones de contorno de conductividad finita asignadas a la antena de parche y al plano de tierra.
Excitaciones de puerto
La asignación de puertos para las excitaciones de alimentación de la antena es un paso importante para garantizar una simulación precisa del rendimiento y el comportamiento de la antena. Al igual que en las mediciones, los puertos proporcionan una forma cómoda de analizar la impedancia de entrada de la antena y sus propiedades de adaptación. Los puertos se utilizan para obtener los parámetros de dispersión (parámetros S) que caracterizan la respuesta en frecuencia de la impedancia de la antena y cualquier acoplamiento entre elementos múltiples.
Los puertos de onda se utilizan habitualmente para simular antenas de guía de ondas y antenas con alimentación coaxial, y proporcionan una solución de campo 2D que incluye la impedancia característica y la constante de propagación. La referencia de fase del puerto puede ajustarse desincrustando a lo largo de la línea de alimentación. Los puertos agrupados pueden utilizarse para proporcionar una excitación directa en lugares específicos, como entre los brazos de una antena dipolo. El usuario especifica la impedancia de referencia para la excitación impresa.
La imagen inferior muestra un puerto de onda asignado al cable coaxial que alimenta la antena de parche. Para este tipo de escenario en el que un puerto de onda se encuentra dentro del volumen del modelo, se utiliza un objeto conductor para respaldar el puerto. La flecha denota la distancia de desincrustación para la definición del puerto.
Configuración de la solución
El último paso antes de resolver el modelo es especificar los parámetros de solución. Esto incluye definir la frecuencia de mallado adaptativo, el tipo de barrido de frecuencia y la resolución, y los parámetros de solución relacionados con la convergencia. La frecuencia de solución adaptativa puede especificarse en la frecuencia más alta de interés para garantizar la obtención de una buena malla. La malla también puede adaptarse a múltiples frecuencias especificadas o a través de una banda de frecuencias especificada. El parámetro de convergencia por defecto para los modelos de antena que incluyen puertos es la diferencia máxima en los valores del parámetro S entre la pasada adaptativa actual y la anterior. La imagen de abajo a la izquierda muestra una solución configurada para mallar adaptativamente a 11,6 GHz hasta que el cambio en los valores del parámetro S sea inferior al 1,5%. La pestaña Opciones se muestra a la derecha con el HFSS configurado para utilizar los elementos de malla de primer orden por defecto y seleccionar automáticamente el solucionador matricial más adecuado.
Proceso de convergencia
HFSS utiliza el método de elementos finitos para resolver las ecuaciones de Maxwell y aplica un algoritmo de mallado adaptativo que añade de forma inteligente elementos de malla en todo el dominio de solución hasta que se alcanzan los criterios de convergencia especificados. Como se muestra en la imagen de abajo, este modelo de antena de parche de ejemplo completó 9 pasadas adaptativas con las dos pasadas finales cumpliendo ambas el valor de convergencia del parámetro S del 1,5%. El tiempo de solución fue de 2 minutos en un ordenador de sobremesa normal que utiliza 7 núcleos, y el tamaño final del modelo fue de aproximadamente 41.000 elementos de malla tetraédrica.
Malla de elementos finitos
El HFSS emplea una técnica de mallado adaptable automáticamente para simular con eficacia y precisión los fenómenos electromagnéticos. Esta capacidad de mallado adaptativo especifica la densidad local de la malla en función de las variaciones del campo electromagnético dentro del dominio de simulación. Además, el HFSS proporciona a los usuarios un control sobre los ajustes de malla y los criterios de refinamiento, así como la capacidad de crear operaciones de malla que impongan una determinada densidad de malla en zonas específicas del modelo.
Se crea una malla inicial basada en la geometría y el valor de refinamiento lambda. A medida que se completan las pasadas de adaptación, el HFSS supervisa la distribución del campo electromagnético y refina la malla en las regiones de alta variación de campo. Al concentrar los recursos computacionales en estas zonas críticas, HFSS garantiza que la simulación alcance el requisito de convergencia especificado con la malla más eficiente.
La imagen inferior muestra la malla creada automáticamente por HFSS en la superficie superior del sustrato de la antena de parche. Como era de esperar, el borde del parche circular es el que más se refina, ya que es ahí donde se concentran los campos electromagnéticos para este tipo de antena.
Resultados de los parámetros S
Con HFSS, los usuarios pueden ver fácilmente los parámetros S de la estructura de la antena. Estos parámetros describen cómo se propagan las señales electromagnéticas en la antena e interactúan con los componentes conectados o las líneas de transmisión. Examinando los parámetros S, los diseñadores pueden evaluar diversas métricas de rendimiento, como la adaptación de impedancia, la pérdida de retorno y el ancho de banda. Además, el análisis de los parámetros S permite optimizar las redes de adaptación y las estructuras de alimentación para mejorar la eficacia y el rendimiento de la antena.
Los gráficos siguientes muestran la pérdida de retorno de entrada y la impedancia del modelo de antena de parche, mostrando una resonancia bien adaptada a 11,59 GHz. La respuesta de impedancia puede verse en el gráfico de Smith, en el que la posición central corresponde a la condición de impedancia adaptada.
Resultados de campo lejano
La visualización de los resultados de campo lejano, como los diagramas de antena y la ganancia, ayuda a los ingenieros de antenas a comprender las características de radiación y las propiedades direccionales de su diseño. HFSS permite a los usuarios crear fácilmente una variedad de gráficos e informes de campo lejano en 2D y 3D para evaluar parámetros importantes como la directividad, la ganancia, el ancho del haz y la eficiencia de radiación. Esta información puede utilizarse para optimizar los diseños de antena con el fin de satisfacer los requisitos de rendimiento. Las imágenes siguientes muestran vistas del diagrama de campo lejano que pueden superponerse a la geometría de la antena de parche para indicar la dirección de propagación.
Resultados de campo cercano
Los usuarios también pueden inspeccionar el comportamiento del campo electromagnético dentro del dominio de la solución. Esta capacidad proporciona información valiosa sobre cómo las ondas electromagnéticas interactúan con las estructuras de antena e irradian al entorno circundante. Los usuarios pueden visualizar tanto los campos eléctricos como los magnéticos en formatos de magnitud y vectoriales, lo que puede revelar cómo las antenas de una o varias alimentaciones crean las ondas radiantes para una polarización deseada.
HFSS permite a los usuarios animar las soluciones del campo electromagnético frente a la fase para la solución armónica temporal, lo que permite una visualización dinámica de la propagación y la interacción del campo. Esta característica es útil para comprender el acoplamiento mutuo entre elementos de antena y otros fenómenos importantes en diseños multiantena. Al visualizar estas distribuciones y animaciones del campo electromagnético, los usuarios pueden identificar mejoras en el diseño y tomar decisiones informadas para alcanzar los objetivos de rendimiento deseados.
La imagen inferior muestra la magnitud del campo eléctrico en el plano YZ para la antena de parche circular. La imagen se muestra utilizando una escala logarítmica, y existen muchas opciones de visualización que permiten al usuario personalizar el aspecto del trazado para su uso en presentaciones e informes. El trazado del campo muestra cómo la antena de parche irradia desde el perímetro para producir una onda de propagación centrada en el parche.
