Conception d’antennes à l’aide d’Ansys HFSS

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Les antennes jouent un rôle crucial dans les systèmes modernes de communication et de radar, permettant la transmission et la réception de signaux électromagnétiques sur diverses plates-formes. La conception d’antennes efficaces nécessite une compréhension approfondie des principes électromagnétiques afin de garantir des performances optimales. Cet article présente une vue d’ensemble du processus de simulation d’antennes dans Ansys HFSS, un outil de conception puissant réputé pour sa capacité à simuler avec précision les champs électromagnétiques.

Avec HFSS, la conception d’antennes devient non seulement efficace, mais aussi intuitive. L’interface conviviale associée à des fonctions avancées telles que l’analyse paramétrique et les algorithmes d’optimisation facilitent l’exploration d’un large éventail de configurations d’antennes et l’itération rapide des conceptions pour parvenir à une solution qui réponde aux exigences.

Géométrie du modèle

Pour commencer, les utilisateurs peuvent utiliser l’interface intuitive pour dessiner la géométrie de l’antenne, qui peut aller de structures simples comme les antennes filaires à des configurations de réseaux complexes. L’un des principaux avantages de HFSS est sa prise en charge de la géométrie paramétrée, qui permet aux utilisateurs de définir les dimensions géométriques à l’aide de variables plutôt que de valeurs fixes. Cela permet d’explorer facilement les variations de conception et facilite les études paramétriques pour optimiser les performances de l’antenne.

L’image ci-dessous montre un modèle d’antenne patch circulaire alimentée par sonde entièrement paramétré. La vue Propriétés sous le gestionnaire de projet montre que les dimensions du substrat ont été paramétrées. Le volet Dessin du ruban présente de nombreuses opérations de dessin 1D, 2D et 3D ainsi que des opérations booléennes qui peuvent être utilisées pour créer la géométrie du modèle.

Une fois que la géométrie de l’élément d’antenne et de la structure d’alimentation est définie, la création d’une boîte à air autour de l’antenne est une étape importante. La taille de la boîte à air permet d’établir les limites du domaine de simulation et de garantir une représentation précise de l’environnement électromagnétique de l’antenne. Dans le modèle ci-dessus, la boîte à air est créée sous la forme d’une région représentée en vue filaire.

Propriétés des matériaux et conditions limites

Les propriétés matérielles sont attribuées aux objets du modèle, y compris les éléments d’antenne, les substrats de circuits imprimés et les structures environnantes. Les propriétés des matériaux définissent la manière dont les ondes électromagnétiques interagissent avec les objets. Les propriétés matérielles pertinentes pour la simulation d’antennes comprennent la permittivité diélectrique, la tangente de perte diélectrique et la conductivité électrique. En spécifiant avec précision les propriétés des matériaux, les utilisateurs peuvent simuler des antennes dans des environnements réalistes et évaluer leurs performances dans différentes conditions de fonctionnement.

HFSS comprend une bibliothèque de matériaux qui contient de nombreux matériaux souvent utilisés dans la conception d’antennes. Les utilisateurs peuvent ajouter des matériaux personnalisés à la bibliothèque. Les propriétés des matériaux peuvent dépendre de la fréquence, être anisotropes, dépendre de l’espace et/ou de la température. L’image ci-dessous montre la définition de la bibliothèque de matériaux pour le matériau de substrat utilisé dans le modèle d’antenne patch.

Les conditions aux limites jouent un rôle important dans la définition du comportement des champs électromagnétiques aux limites du domaine de simulation ainsi que pour les objets 2D. Pour les antennes, HFSS propose plusieurs options pour spécifier les conditions limites qui imitent un espace ouvert, permettant aux ondes électromagnétiques de se propager librement sans réflexions. Il s’agit notamment de conditions limites absorbantes de second ordre (ABC), de couches parfaitement adaptées (PML) et de terminaisons d’éléments finis intégraux (FE-BI). L’image ci-dessous montre une condition limite absorbante assignée aux faces extérieures de la zone de la boîte à air.

Pour les objets conducteurs d’électricité en 2D, tels que les antennes et les plans de masse, une condition limite de conductivité finie est attribuée. HFSS comprend plusieurs modèles de rugosité de surface qui peuvent être appliqués à ces limites pour correspondre étroitement aux propriétés de l’antenne fabriquée. D’autres conditions limites souvent utilisées dans les modèles d’antenne comprennent les plans de symétrie, les limites périodiques et les limites d’impédance. Les images ci-dessous montrent les conditions limites de conductivité finie attribuées à l’antenne patch et au plan de masse.

Excitations de port

L’attribution de ports pour les excitations d’alimentation d’antenne est une étape importante pour garantir une simulation précise des performances et du comportement de l’antenne. Comme pour les mesures, les ports offrent un moyen pratique d’analyser l’impédance d’entrée de l’antenne et les propriétés d’adaptation. Les ports sont utilisés pour obtenir les paramètres de diffusion (paramètres S) qui caractérisent la réponse en fréquence de l’impédance de l’antenne et tout couplage entre des éléments multiples.

Les ports d’onde sont couramment utilisés pour simuler les antennes à guide d’ondes et les antennes alimentées par coaxial, et fournissent une solution de champ 2D comprenant l’impédance caractéristique et la constante de propagation. La référence de phase du port peut être ajustée par désencastrement sur la longueur de la ligne d’alimentation. Les ports groupés peuvent être utilisés pour fournir une excitation directe à des endroits spécifiques, par exemple entre les bras d’une antenne dipôle. L’utilisateur spécifie l’impédance de référence pour l’excitation imprimée.

L’image ci-dessous montre un port d’onde assigné au câble coaxial qui alimente l’antenne patch. Pour ce type de scénario, lorsqu’un port d’onde est situé à l’intérieur du volume du modèle, un objet conducteur est utilisé pour soutenir le port. La flèche indique la distance de désencastrement pour la définition du port.

Configuration de la solution

La dernière étape avant la résolution du modèle consiste à spécifier les paramètres de la solution. Il s’agit de définir la fréquence de maillage adaptative, le type de balayage de fréquence et la résolution, ainsi que les paramètres de solution liés à la convergence. La fréquence de solution adaptative peut être spécifiée à la fréquence d’intérêt la plus élevée pour garantir l’obtention d’un bon maillage. Le maillage peut également être adapté à des fréquences multiples spécifiées ou sur une bande de fréquence spécifiée. Le paramètre de convergence par défaut pour les modèles d’antennes qui incluent des ports est la différence maximale dans les valeurs du paramètre S entre le passage adaptatif actuel et le précédent. L’image de gauche ci-dessous montre une solution réglée pour un maillage adaptatif à 11,6 GHz jusqu’à ce que la variation des valeurs du paramètre S soit inférieure à 1,5 %. L’onglet Options est illustré à droite avec HFSS réglé pour utiliser les éléments de maillage du premier ordre par défaut et sélectionner automatiquement le solveur de matrice le plus approprié.

Processus de convergence

HFSS utilise la méthode des éléments finis pour résoudre les équations de Maxwell et applique un algorithme de maillage adaptatif qui ajoute intelligemment des éléments de maillage dans tout le domaine de la solution jusqu’à ce que le critère de convergence spécifié soit atteint. Comme le montre l’image ci-dessous, cet exemple de modèle d’antenne patch a effectué 9 passes adaptatives, les deux dernières passes atteignant toutes deux la valeur de convergence de 1,5 % pour le paramètre S. La durée de la solution a été de 2 minutes sur un ordinateur de bureau. La durée de la solution a été de 2 minutes sur un ordinateur de bureau normal utilisant 7 cœurs, et la taille finale du modèle était d’environ 41 000 éléments de maillage tétraédrique.

Maillage en éléments finis

HFSS utilise une technique de maillage adaptatif automatique pour simuler efficacement et précisément les phénomènes électromagnétiques. Cette capacité de maillage adaptatif spécifie la densité locale du maillage en fonction des variations du champ électromagnétique dans le domaine de simulation. En outre, HFSS permet aux utilisateurs de contrôler les paramètres de maillage et les critères de raffinement, ainsi que de créer des opérations de maillage qui imposent une certaine densité de maillage dans des zones spécifiques du modèle.

Un maillage initial est créé sur la base de la géométrie et de la valeur de raffinement lambda. Au fur et à mesure des passes adaptatives, HFSS surveille la distribution du champ électromagnétique et affine le maillage dans les régions où la variation du champ est importante. En concentrant les ressources de calcul dans ces zones critiques, HFSS garantit que la simulation atteint les exigences de convergence spécifiées avec le maillage le plus efficace.

L’image ci-dessous montre le maillage créé automatiquement par HFSS sur la surface supérieure du substrat de l’antenne patch. Comme prévu, le bord du patch circulaire est le plus raffiné car c’est là que les champs électromagnétiques sont concentrés pour ce type d’antenne.

Résultats du paramètre S

Avec HFSS, les utilisateurs peuvent facilement visualiser les paramètres S de la structure de l’antenne. Ces paramètres décrivent la façon dont les signaux électromagnétiques se propagent dans l’antenne et interagissent avec les composants connectés ou les lignes de transmission. En examinant les paramètres S, les concepteurs peuvent évaluer diverses mesures de performance, notamment l’adaptation d’impédance, la perte de retour et la bande passante. En outre, l’analyse des paramètres S permet d’optimiser les réseaux d’adaptation et les structures d’alimentation afin d’améliorer l’efficacité et les performances de l’antenne.

Les graphiques ci-dessous montrent la perte de retour d’entrée et l’impédance du modèle d’antenne patch, montrant une résonance bien adaptée à 11,59 GHz. La réponse d’impédance peut être visualisée sur l’abaque de Smith, dans lequel l’emplacement central correspond à la condition d’adaptation d’impédance.

Résultats en champ lointain

La visualisation des résultats de champ lointain, tels que les diagrammes d’antenne et le gain, aide les ingénieurs d’antenne à comprendre les caractéristiques de rayonnement et les propriétés directionnelles de leur conception. HFSS permet aux utilisateurs de créer facilement une variété de tracés et de rapports de champ lointain 2D et 3D pour évaluer des paramètres importants, notamment la directivité, le gain, l’ouverture de faisceau et l’efficacité de rayonnement. Ces informations peuvent être utilisées pour optimiser les conceptions d’antennes afin de répondre aux exigences de performance. Les images ci-dessous montrent des vues du diagramme de champ lointain qui peuvent être superposées à la géométrie de l’antenne patch pour indiquer la direction de propagation.

Résultats en champ proche

Les utilisateurs peuvent également inspecter le comportement du champ électromagnétique à l’intérieur du domaine de la solution. Cette fonction fournit des informations précieuses sur la façon dont les ondes électromagnétiques interagissent avec les structures d’antenne et rayonnent dans l’environnement. Les utilisateurs peuvent visualiser les champs électriques et magnétiques sous forme de magnitude et de vecteur, ce qui peut révéler comment les antennes à alimentation unique ou multiple créent les ondes rayonnantes pour une polarisation souhaitée.

HFSS permet aux utilisateurs d’animer les solutions de champ électromagnétique en fonction de la phase pour la solution harmonique temporelle, ce qui permet une visualisation dynamique de la propagation et de l’interaction des champs. Cette fonction est utile pour comprendre le couplage mutuel entre les éléments d’antenne et d’autres phénomènes importants dans les conceptions multi-antennes. En visualisant ces distributions et animations de champs électromagnétiques, les utilisateurs peuvent identifier les améliorations à apporter à la conception et prendre des décisions éclairées pour atteindre les objectifs de performance souhaités.

L’image ci-dessous montre l’amplitude du champ électrique dans le plan YZ pour l’antenne patch circulaire. L’image est affichée à l’aide d’une échelle logarithmique et de nombreuses options d’affichage permettent à l’utilisateur de personnaliser l’apparence du tracé pour l’utiliser dans des présentations et des rapports. Le tracé de champ montre comment l’antenne patch rayonne à partir du périmètre pour produire une onde de propagation centrée sur le patch.

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