Anteny odgrywają kluczową rolę w nowoczesnych systemach komunikacyjnych i radarowych, umożliwiając transmisję i odbiór sygnałów elektromagnetycznych na różnych platformach. Projektowanie wydajnych anten wymaga dogłębnego zrozumienia zasad elektromagnetycznych, aby zapewnić optymalną wydajność. Ten post zawiera przegląd przepływu pracy symulacji anteny w Ansys HFSS, potężnym narzędziu projektowym znanym z możliwości dokładnej symulacji pól elektromagnetycznych.
Dzięki HFSS projektowanie anten staje się nie tylko wydajne, ale także intuicyjne. Przyjazny dla użytkownika interfejs w połączeniu z zaawansowanymi funkcjami, takimi jak analiza parametryczna i algorytmy optymalizacji, ułatwiają badanie szerokiej gamy konfiguracji anten i szybkie iterowanie projektów w celu uzyskania rozwiązania spełniającego wymagania.
Geometria modelu
Na początek użytkownicy mogą skorzystać z intuicyjnego interfejsu, aby narysować geometrię anteny, która może obejmować zarówno proste struktury, takie jak anteny drutowe, jak i złożone konfiguracje macierzy. Jedną z kluczowych zalet HFSS jest obsługa sparametryzowanej geometrii, umożliwiająca użytkownikom definiowanie wymiarów geometrycznych za pomocą zmiennych zamiast stałych wartości. Umożliwia to łatwą eksplorację wariantów projektowych i ułatwia badania parametryczne w celu optymalizacji wydajności anteny.
Poniższa ilustracja przedstawia w pełni sparametryzowany model kołowej anteny patch zasilanej sondą. Widok Properties poniżej Project Managera pokazuje, że wymiary podłoża zostały sparametryzowane. Panel Draw na wstążce pokazuje wiele operacji rysowania 1D, 2D i 3D oraz operacji logicznych, których można użyć do utworzenia geometrii modelu.
Po zdefiniowaniu geometrii elementu anteny i struktury zasilania, ważnym krokiem jest utworzenie airboxu wokół anteny. Rozmiar airboxa służy do ustalenia granic domeny symulacji i zapewnienia dokładnego odwzorowania środowiska elektromagnetycznego anteny. W modelu pokazanym powyżej, airbox jest tworzony jako region pokazany w widoku szkieletowym.
Właściwości materiału i warunki brzegowe
Właściwości materiałowe są przypisywane do obiektów w modelu, w tym elementów anteny, podłoży PCB i otaczających struktur. Właściwości materiału określają sposób interakcji fal elektromagnetycznych z obiektami. Odpowiednie właściwości materiału do symulacji anteny obejmują przenikalność dielektryczną, styczną strat dielektrycznych i przewodność elektryczną. Dzięki dokładnemu określeniu właściwości materiału, użytkownicy mogą symulować anteny w realistycznych środowiskach i oceniać ich wydajność w różnych warunkach pracy.
HFSS zawiera bibliotekę materiałów, która zawiera wiele materiałów często używanych w projektowaniu anten. Użytkownicy mogą dodawać niestandardowe materiały do biblioteki. Właściwości materiału mogą być zależne od częstotliwości, anizotropowe, zależne od przestrzeni i/lub zależne od temperatury. Poniższy obrazek przedstawia definicję biblioteki materiałów dla materiału podłoża używanego w modelu anteny patch.
Warunki brzegowe odgrywają ważną rolę w definiowaniu zachowania pól elektromagnetycznych na granicach domeny symulacji, a także dla obiektów 2D. W przypadku anten HFSS zapewnia wiele opcji określania warunków brzegowych, które naśladują otwartą przestrzeń, umożliwiając swobodną propagację fal elektromagnetycznych bez odbić. Obejmują one pochłaniające warunki brzegowe drugiego rzędu (ABC), idealnie dopasowane warstwy (PML) i zakończenia integralnych granic elementów skończonych (FE-BI). Poniższa ilustracja przedstawia pochłaniający warunek brzegowy przypisany do zewnętrznych powierzchni obszaru airbox.
W przypadku obiektów 2D przewodzących prąd elektryczny, takich jak anteny i płaszczyzny uziemienia, przypisywany jest warunek brzegowy skończonej przewodności. HFSS zawiera wiele modeli chropowatości powierzchni, które można zastosować do tych granic, aby ściśle dopasować właściwości wyprodukowanej anteny. Inne warunki brzegowe często stosowane w modelach anten obejmują płaszczyzny symetrii, granice okresowe i granice impedancji. Poniższe obrazy przedstawiają warunki brzegowe skończonej przewodności przypisane do anteny krosowej i płaszczyzny uziemienia.
Wzbudzenia portu
Przypisanie portów dla wzbudzeń zasilania anteny jest ważnym krokiem w celu zapewnienia dokładnej symulacji działania i zachowania anteny. Podobnie jak w pomiarach, porty zapewniają wygodny sposób analizy impedancji wejściowej anteny i właściwości dopasowania. Porty są używane do uzyskania parametrów rozpraszania (S-parametrów), które charakteryzują odpowiedź częstotliwościową impedancji anteny i wszelkie sprzężenia między wieloma elementami.
Porty falowe są powszechnie używane do symulacji anten falowodowych i anten zasilanych koncentrycznie i zapewniają rozwiązanie pola 2D, w tym impedancję charakterystyczną i stałą propagacji. Odniesienie fazowe portu można wyregulować poprzez usunięcie osadzenia wzdłuż długości linii zasilającej. Porty łączone mogą być używane do zapewnienia bezpośredniego wzbudzenia w określonych miejscach, takich jak między ramionami anteny dipolowej. Użytkownik określa impedancję odniesienia dla wzbudzenia.
Poniższy obrazek przedstawia port falowy przypisany do kabla koncentrycznego zasilającego antenę patch. W przypadku tego typu scenariusza, gdy port falowy znajduje się wewnątrz objętości modelu, obiekt przewodzący jest używany do cofnięcia portu. Strzałka oznacza odległość de-embeddingu dla definicji portu.
Konfiguracja rozwiązania
Ostatnim krokiem przed rozwiązaniem modelu jest określenie parametrów rozwiązania. Obejmuje to zdefiniowanie adaptacyjnej częstotliwości siatki, typu i rozdzielczości przemiatania częstotliwości oraz parametrów rozwiązania związanych ze zbieżnością. Adaptacyjną częstotliwość rozwiązania można określić przy najwyższej częstotliwości zainteresowania, aby zapewnić uzyskanie dobrej siatki. Siatkę można również dostosować przy określonych wielu częstotliwościach lub w określonym paśmie częstotliwości. Domyślnym parametrem zbieżności dla modeli anten, które zawierają porty, jest maksymalna różnica w wartościach parametru S między bieżącym i poprzednim przejściem adaptacyjnym. Obraz po lewej stronie pokazuje rozwiązanie ustawione na adaptacyjne siatkowanie na częstotliwości 11,6 GHz, dopóki zmiana wartości parametru S nie spadnie poniżej 1,5%. Zakładka Opcje jest pokazana po prawej stronie z HFSS ustawionym na użycie domyślnych elementów siatki pierwszego rzędu i automatyczny wybór najbardziej odpowiedniego solwera macierzowego.
Proces konwergencji
HFSS wykorzystuje metodę elementów skończonych do rozwiązywania równań Maxwella i stosuje adaptacyjny algorytm siatkowania, który inteligentnie dodaje elementy siatki w całej domenie rozwiązania, aż do osiągnięcia określonych kryteriów zbieżności. Jak pokazano na poniższym obrazku, ten przykładowy model anteny patchowej ukończył 9 przejść adaptacyjnych, przy czym dwa ostatnie przejścia spełniły wartość zbieżności parametru S wynoszącą 1,5%. Czas rozwiązania wyniósł 2 minuty na zwykłym komputerze stacjonarnym z 7 rdzeniami, a ostateczny rozmiar modelu wyniósł około 41 000 czworościennych elementów siatki.
Siatka elementów skończonych
HFSS wykorzystuje automatycznie adaptacyjną technikę siatkowania w celu wydajnej i dokładnej symulacji zjawisk elektromagnetycznych. Ta adaptacyjna funkcja siatki określa lokalną gęstość siatki w oparciu o zmiany pola elektromagnetycznego w domenie symulacji. Dodatkowo, HFSS zapewnia użytkownikom kontrolę nad ustawieniami siatki i kryteriami rafinacji, a także możliwość tworzenia operacji siatki, które wymuszają określoną gęstość siatki w określonych obszarach modelu.
Początkowa siatka jest tworzona na podstawie geometrii i wartości udoskonalenia lambda. Gdy przejścia adaptacyjne są zakończone, HFSS monitoruje rozkład pola elektromagnetycznego i udoskonala siatkę w regionach o dużej zmienności pola. Koncentrując zasoby obliczeniowe w tych krytycznych obszarach, HFSS zapewnia, że symulacja osiąga określony wymóg zbieżności z najbardziej wydajną siatką.
Poniższy obraz przedstawia siatkę, która jest automatycznie tworzona przez HFSS na górnej powierzchni podłoża anteny patch. Zgodnie z oczekiwaniami, krawędź okrągłej łaty jest najbardziej dopracowana, ponieważ tam koncentrują się pola elektromagnetyczne dla tego typu anteny.
Wyniki parametrów S
Dzięki HFSS użytkownicy mogą łatwo przeglądać parametry S dla struktury anteny. Parametry te opisują, w jaki sposób sygnały elektromagnetyczne rozchodzą się w antenie i wchodzą w interakcje z podłączonymi komponentami lub liniami transmisyjnymi. Badając parametry S, projektanci mogą ocenić różne wskaźniki wydajności, w tym dopasowanie impedancji, straty odbiciowe i szerokość pasma. Dodatkowo, analiza parametrów S umożliwia optymalizację sieci dopasowujących i struktur zasilających w celu zwiększenia wydajności i wydajności anteny.
Poniższe wykresy przedstawiają wejściową stratę powrotną i impedancję modelu anteny patch, pokazując dobrze dopasowany rezonans przy 11,59 GHz. Odpowiedź impedancyjną można wyświetlić na wykresie Smitha, w którym środkowa lokalizacja odpowiada warunkowi dopasowania impedancji.
Wyniki dalekiego pola
Przeglądanie wyników dalekiego pola, takich jak wzory anten i zysk, pomaga inżynierom anten zrozumieć charakterystykę promieniowania i właściwości kierunkowe ich projektu. HFSS umożliwia użytkownikom łatwe tworzenie różnych wykresów i raportów dalekiego pola 2D i 3D w celu oceny ważnych parametrów, w tym kierunkowości, wzmocnienia, szerokości wiązki i wydajności promieniowania. Informacje te można wykorzystać do optymalizacji projektów anten w celu spełnienia wymagań dotyczących wydajności. Poniższe obrazy przedstawiają widoki dalekiego pola, które można nałożyć na geometrię anteny patch, aby wskazać kierunek propagacji.
Wyniki w polu bliskim
Użytkownicy mogą również sprawdzić zachowanie pola elektromagnetycznego w domenie rozwiązania. Ta funkcja zapewnia cenny wgląd w to, jak fale elektromagnetyczne oddziałują ze strukturami anteny i promieniują do otaczającego środowiska. Użytkownicy mogą wizualizować zarówno pola elektryczne, jak i magnetyczne w formatach wielkości i wektorów, co może ujawnić, w jaki sposób anteny jedno- i wielopasmowe wytwarzają fale promieniujące dla pożądanej polaryzacji.
HFSS umożliwia użytkownikom animowanie rozwiązań pola elektromagnetycznego w stosunku do fazy dla rozwiązania czasowo-harmonicznego, umożliwiając dynamiczną wizualizację propagacji pola i interakcji. Funkcja ta jest przydatna do zrozumienia wzajemnego sprzężenia między elementami anteny i innych ważnych zjawisk w projektach wieloantenowych. Dzięki wizualizacji rozkładów pola elektromagnetycznego i animacji, użytkownicy mogą zidentyfikować ulepszenia projektu i podejmować świadome decyzje, aby osiągnąć pożądane cele w zakresie wydajności.
Poniższy obraz przedstawia wielkość pola elektrycznego w płaszczyźnie YZ dla kołowej anteny patch. Obraz jest wyświetlany przy użyciu skali logarytmicznej i istnieje wiele opcji wyświetlania, które pozwalają użytkownikowi dostosować wygląd wykresu do wykorzystania w prezentacjach i raportach. Wykres pola pokazuje, w jaki sposób antena krosowa promieniuje z obwodu, aby wytworzyć falę propagacyjną wyśrodkowaną na krosie.
