Antennes spelen een cruciale rol in moderne communicatie- en radarsystemen, omdat ze de transmissie en ontvangst van elektromagnetische signalen op verschillende platforms mogelijk maken. Het ontwerpen van efficiënte antennes vereist een grondige kennis van elektromagnetische principes om optimale prestaties te garanderen. Dit artikel geeft een overzicht van de antennesimulatieworkflow in Ansys HFSS, een krachtig ontwerpprogramma dat bekend staat om zijn vermogen om nauwkeurig elektromagnetische velden te simuleren.
Met HFSS wordt het ontwerpen van antennes niet alleen efficiënt, maar ook intuïtief. De gebruiksvriendelijke interface in combinatie met geavanceerde functies zoals parametrische analyse en optimalisatiealgoritmen maken het gemakkelijk om een groot aantal antenneconfiguraties te verkennen en ontwerpen snel te herhalen om tot een oplossing te komen die aan de vereisten voldoet.
Modelgeometrie
Om te beginnen kunnen gebruikers de intuïtieve interface gebruiken om de antennegeometrie te tekenen, die kan variëren van eenvoudige structuren zoals draadantennes tot complexe arrayconfiguraties. Een van de belangrijkste voordelen van HFSS is de ondersteuning voor geparametriseerde geometrie, waardoor gebruikers geometrische afmetingen kunnen definiëren met behulp van variabelen in plaats van vaste waarden. Hierdoor kunnen ontwerpvariaties gemakkelijk worden onderzocht en kunnen parametrische studies worden uitgevoerd om de prestaties van de antenne te optimaliseren.
De afbeelding hieronder toont een volledig geparametriseerd probe-fed cirkelvormig patchantennemodel. De Properties-weergave onder de Project Manager laat zien dat de substraatafmetingen zijn geparametriseerd. Het deelvenster Draw (Tekenen) van het lint toont veel van de 1D, 2D en 3D tekenbewerkingen en Booleaanse bewerkingen die gebruikt kunnen worden om de geometrie van het model te creëren.
Zodra de geometrie van het antenne-element en de voedingsstructuur is gedefinieerd, is het creëren van een airbox rond de antenne een belangrijke stap. De grootte van de airbox dient om de grenzen van het simulatiedomein vast te leggen en een nauwkeurige weergave van de elektromagnetische omgeving van de antenne te garanderen. In het hierboven getoonde model is de airbox gemaakt als een gebied dat in wireframeweergave wordt weergegeven.
Materiaaleigenschappen en randvoorwaarden
Materiaaleigenschappen worden toegewezen aan objecten binnen het model, inclusief de antenne-elementen, PCB-substraten en omliggende structuren. De materiaaleigenschappen bepalen hoe elektromagnetische golven met de objecten interageren. De relevante materiaaleigenschappen voor antennesimulatie omvatten de diëlektrische permittiviteit, de tangens van het diëlektrisch verlies en de elektrische geleidbaarheid. Door de materiaaleigenschappen nauwkeurig op te geven, kunnen gebruikers antennes in realistische omgevingen simuleren en hun prestaties onder verschillende bedrijfsomstandigheden beoordelen.
HFSS bevat een materialenbibliotheek die veel materialen bevat die vaak gebruikt worden bij het ontwerpen van antennes. Gebruikers kunnen aangepaste materialen aan de bibliotheek toevoegen. De materiaaleigenschappen kunnen frequentieafhankelijk, anisotroop, ruimteafhankelijk en/of temperatuurafhankelijk zijn. De afbeelding hieronder toont de materiaalbibliotheekdefinitie voor het substraatmateriaal dat in het patch-antennemodel wordt gebruikt.
Grensvoorwaarden spelen een belangrijke rol bij het definiëren van het gedrag van elektromagnetische velden aan de grenzen van het simulatiedomein en voor 2D-objecten. Voor antennes biedt HFSS meerdere opties om randvoorwaarden te specificeren die een open ruimte nabootsen, waardoor elektromagnetische golven zich vrij kunnen voortplanten zonder reflecties. Deze omvatten absorberende randvoorwaarden van de tweede orde (ABC), perfect gematchte lagen (PML) en eindige elementaire randintegrale (FE-BI) afsluitingen. De afbeelding hieronder toont een absorberende randvoorwaarde toegewezen aan de buitenvlakken van het airboxgebied.
Voor 2D elektrisch geleidende objecten zoals antennes en grondvlakken wordt een eindige geleidbaarheidsgrensvoorwaarde toegewezen. HFSS bevat meerdere oppervlakteruwheidsmodellen die op deze grenzen kunnen worden toegepast om nauw aan te sluiten bij de eigenschappen van de gefabriceerde antenne. Andere randvoorwaarden die vaak in antennemodellen worden gebruikt zijn symmetrievlakken, periodieke grenzen en impedantiegrenzen. De afbeeldingen hieronder tonen eindige geleidbaarheidsgrenstoestanden die zijn toegewezen aan de patchantenne en het grondvlak.
Poortexcitaties
Het toewijzen van poorten voor antenne feed excitaties is een belangrijke stap voor een nauwkeurige simulatie van de prestaties en het gedrag van de antenne. Net als bij metingen bieden poorten een handige manier om de ingangsimpedantie en matching-eigenschappen van de antenne te analyseren. Poorten worden gebruikt om de verstrooiingsparameters (S-parameters) te verkrijgen die de frequentierespons van de antenne-impedantie en eventuele koppeling tussen meerdere elementen karakteriseren.
Golfpoorten worden vaak gebruikt om golfgeleiderantennes en coax-gevoede antennes te simuleren, en leveren een 2D veldoplossing inclusief de karakteristieke impedantie en voortplantingsconstante. De fasereferentie van de poort kan worden aangepast door de-embedding over de lengte van de voedingslijn uit te voeren. Gebundelde poorten kunnen worden gebruikt om een directe excitatie te leveren op specifieke locaties, zoals tussen de armen van een dipoolantenne. De gebruiker specificeert de referentie-impedantie voor de geïmponeerde excitatie.
De afbeelding hieronder toont een golfpoort die is toegewezen aan de coaxkabel die de patchantenne voedt. Voor dit type scenario, waarbij een golfpoort zich binnen het modelvolume bevindt, wordt een geleidend object gebruikt om de poort te ondersteunen. De pijl geeft de de-embeddingsafstand voor de poortdefinitie aan.
Oplossingsinstellingen
De laatste stap voor het oplossen van het model is het specificeren van de oplossingsparameters. Dit omvat het definiëren van de adaptieve meshfrequentie, het type en de resolutie van de frequency sweep en oplossingsparameters met betrekking tot convergentie. De adaptieve oplossingsfrequentie kan worden gespecificeerd op de hoogste frequentie die van belang is om ervoor te zorgen dat een goede mesh wordt verkregen. De mesh kan ook worden aangepast bij gespecificeerde meerdere frequenties of over een gespecificeerde frequentieband. De standaard convergentieparameter voor antennemodellen met poorten is het maximale verschil in de S-parameterwaarden tussen de huidige en de vorige adaptieve doorgang. De afbeelding linksonder toont een oplossing die is ingesteld om adaptief te mazen op 11,6 GHz totdat de verandering in de S-parameterwaarden minder dan 1,5% is. Het tabblad Options ziet u rechts met HFSS ingesteld om de standaard eerste orde mesh-elementen te gebruiken en automatisch de meest geschikte matrixoplosser te selecteren.
Convergentieproces
HFSS gebruikt de eindige-elementenmethode om Maxwell-vergelijkingen op te lossen en past een adaptief meshing-algoritme toe dat op intelligente wijze mesh-elementen toevoegt in het oplossingsdomein totdat de opgegeven convergentiecriteria zijn bereikt. Zoals in de afbeelding hieronder te zien is, heeft dit voorbeeld patch-antennemodel 9 adaptieve passen doorlopen, waarbij de laatste twee passen allebei voldeden aan de convergentiewaarde van 1,5% voor de S-parameter. De oplossingstijd was 2 minuten op een normale desktopcomputer met 7 cores, en de uiteindelijke modelgrootte was ongeveer 41.000 tetrahedrale netelementen.
Eindige Elementen Net
HFSS gebruikt een automatisch adaptieve meshtechniek om elektromagnetische verschijnselen efficiënt en nauwkeurig te simuleren. Deze adaptieve netvormingsmogelijkheid specificeert de lokale netdichtheid op basis van de elektromagnetische veldvariaties binnen het simulatiedomein. Daarnaast biedt HFSS gebruikers controle over mesh-instellingen en verfijningscriteria en de mogelijkheid om mesh-bewerkingen te creëren die een bepaalde mesh-dichtheid afdwingen in bepaalde gebieden van het model.
Er wordt een eerste mesh gemaakt op basis van de geometrie en de lambda verfijningswaarde. Terwijl de adaptieve passen worden voltooid, controleert HFSS de elektromagnetische veldverdeling en verfijnt het gaas in gebieden met een hoge veldvariatie. Door de rekenkracht op deze kritieke gebieden te concentreren, zorgt HFSS ervoor dat de simulatie de gespecificeerde convergentievereisten bereikt met de meest efficiënte mesh.
De afbeelding hieronder toont het netwerk dat automatisch door HFSS wordt gemaakt op het bovenste oppervlak van het substraat van de patchantenne. Zoals verwacht wordt de rand van de cirkelvormige patch het meest verfijnd, omdat daar de elektromagnetische velden geconcentreerd zijn voor dit type antenne.
S-parameterresultaten
Met HFSS kunnen gebruikers eenvoudig S-parameters voor de antennestructuur bekijken. Deze parameters beschrijven hoe elektromagnetische signalen zich in de antenne voortplanten en interageren met aangesloten componenten of transmissielijnen. Door S-parameters te onderzoeken, kunnen ontwerpers verschillende prestatieparameters beoordelen, waaronder impedantieaanpassing, retourverlies en bandbreedte. Bovendien maakt S-parameteranalyse optimalisatie van aanpassingsnetwerken en voedingsstructuren mogelijk om de efficiëntie en prestaties van de antenne te verbeteren.
De onderstaande grafieken tonen het ingangsreturnverlies en de impedantie van het patchantennemodel, met een goed afgestemde resonantie op 11,59 GHz. De impedantierespons kan worden bekeken op de Smith grafiek, waarin de middelste locatie overeenkomt met de toestand van impedantie-matching.
Resultaten verre veld
Het bekijken van verre-veldresultaten zoals antennepatronen en versterking helpt antenne-ingenieurs om de stralingskarakteristieken en richtingskarakteristieken van hun ontwerp te begrijpen. HFSS stelt gebruikers in staat om op eenvoudige wijze een verscheidenheid aan 2D en 3D far-field plots en rapporten te creëren om belangrijke parameters te beoordelen, waaronder richtingsgevoeligheid, versterking, bundelbreedte en stralingsefficiëntie. Deze informatie kan worden gebruikt om antenneontwerpen te optimaliseren om aan de prestatievereisten te voldoen. De onderstaande afbeeldingen tonen weergaven van het verre veldpatroon die op de geometrie van de patchantenne kunnen worden gelegd om de voortplantingsrichting aan te geven.
Nabij-veld resultaten
Gebruikers kunnen ook het elektromagnetische veldgedrag binnen het oplossingsdomein inspecteren. Deze mogelijkheid biedt waardevolle inzichten in hoe elektromagnetische golven interageren met antennestructuren en uitstralen naar de omgeving. Gebruikers kunnen zowel de elektrische als de magnetische velden in magnitude- en vectorformaten visualiseren, waardoor duidelijk wordt hoe enkelvoudige en meervoudig gevoede antennes de stralingsgolven voor een gewenste polarisatie creëren.
HFSS stelt gebruikers in staat om de elektromagnetische veldoplossingen te animeren versus de fase voor de tijd-harmonische oplossing, waardoor een dynamische visualisatie van veldpropagatie en interactie mogelijk wordt. Deze functie is nuttig om de onderlinge koppeling tussen antenne-elementen en andere belangrijke fenomenen in multi-antenneontwerpen te begrijpen. Door deze elektromagnetische veldverdelingen en animaties te visualiseren, kunnen gebruikers ontwerpverbeteringen identificeren en weloverwogen beslissingen nemen om de gewenste prestatiedoelen te bereiken.
De onderstaande afbeelding toont de grootte van het elektrisch veld in het YZ-vlak voor de cirkelvormige patchantenne. De afbeelding wordt weergegeven op een logaritmische schaal en er zijn vele weergaveopties waarmee de gebruiker het uiterlijk van de plot kan aanpassen voor gebruik in presentaties en rapporten. De veldplot toont hoe de patchantenne vanaf de omtrek straalt om een voortplantende golf te produceren die op de patch is gecentreerd.
