As antenas desempenham um papel fundamental nos sistemas modernos de comunicação e radar, permitindo a transmissão e a recepção de sinais eletromagnéticos em várias plataformas. O projeto de antenas eficientes exige um profundo conhecimento dos princípios eletromagnéticos para garantir o desempenho ideal. Esta postagem apresenta uma visão geral do fluxo de trabalho de simulação de antenas no Ansys HFSS, uma poderosa ferramenta de projeto conhecida por sua capacidade de simular campos eletromagnéticos com precisão.
Com o HFSS, o projeto de antenas se torna não apenas eficiente, mas também intuitivo. A interface amigável, aliada a recursos avançados, como análise paramétrica e algoritmos de otimização, facilita a exploração de uma ampla gama de configurações de antenas e a rápida iteração de projetos para obter uma solução que atenda aos requisitos.
Geometria do modelo
Para começar, os usuários podem utilizar a interface intuitiva para desenhar a geometria da antena, que pode variar de estruturas simples, como antenas de arame, a configurações complexas de matriz. Uma das principais vantagens do HFSS é seu suporte à geometria parametrizada, permitindo que os usuários definam as dimensões geométricas usando variáveis em vez de valores fixos. Isso permite a fácil exploração de variações de projeto e facilita os estudos paramétricos para otimizar o desempenho da antena.
A imagem abaixo mostra um modelo de antena de patch circular alimentado por sonda totalmente parametrizado. A visualização Properties abaixo do Project Manager mostra que as dimensões do substrato foram parametrizadas. O painel Draw (Desenhar) da faixa de opções mostra muitas das operações de desenho 1D, 2D e 3D e operações booleanas que podem ser usadas para criar a geometria do modelo.
Uma vez definida a geometria do elemento da antena e a estrutura de alimentação, a criação de uma caixa de ar ao redor da antena é uma etapa importante. O tamanho da caixa de ar serve para estabelecer os limites do domínio da simulação e garantir a representação precisa do ambiente eletromagnético da antena. No modelo mostrado acima, a caixa de ar é criada como uma região mostrada na visualização wireframe.
Propriedades do material e condições de contorno
As propriedades do material são atribuídas a objetos dentro do modelo, incluindo os elementos da antena, os substratos de PCB e as estruturas circundantes. As propriedades do material definem como as ondas eletromagnéticas interagem com os objetos. As propriedades relevantes do material para a simulação da antena incluem a permissividade dielétrica, a tangente de perda dielétrica e a condutividade elétrica. Ao especificar com precisão as propriedades do material, os usuários podem simular antenas em ambientes realistas e avaliar seu desempenho sob diferentes condições de operação.
O HFSS inclui uma biblioteca de materiais que contém muitos materiais usados com frequência no projeto de antenas. Os usuários podem adicionar materiais personalizados à biblioteca. As propriedades do material podem ser dependentes da frequência, anisotrópicas, dependentes do espaço e/ou dependentes da temperatura. A imagem abaixo mostra a definição da biblioteca de materiais para o material do substrato usado no modelo da antena patch.
As condições de contorno desempenham um papel importante na definição do comportamento dos campos eletromagnéticos nos limites do domínio de simulação, bem como para objetos 2D. Para antenas, o HFSS oferece várias opções para especificar condições de contorno que imitam um espaço aberto, permitindo que as ondas eletromagnéticas se propaguem livremente sem reflexões. Isso inclui condições de contorno de absorção de segunda ordem (ABC), camadas perfeitamente combinadas (PML) e terminações integrais de contorno de elementos finitos (FE-BI). A imagem abaixo mostra uma condição de limite de absorção atribuída às faces externas da região da caixa de ar.
Para objetos 2D eletricamente condutores, como antenas e planos de aterramento, é atribuída uma condição de contorno de condutividade finita. O HFSS inclui vários modelos de rugosidade de superfície que podem ser aplicados a esses limites para se aproximar das propriedades da antena fabricada. Outras condições de contorno usadas com frequência em modelos de antena incluem planos de simetria, contornos periódicos e contornos de impedância. As imagens abaixo mostram as condições de limite de condutividade finita atribuídas à antena patch e ao plano de aterramento.
Excitações de porta
A atribuição de portas para excitações de alimentação de antena é uma etapa importante para garantir a simulação precisa do desempenho e do comportamento da antena. Como nas medições, as portas oferecem uma maneira conveniente de analisar a impedância de entrada da antena e as propriedades de correspondência. As portas são usadas para obter os parâmetros de dispersão (parâmetros S) que caracterizam a resposta de frequência da impedância da antena e qualquer acoplamento entre vários elementos.
As portas de onda são comumente usadas para simular antenas de guia de ondas e antenas alimentadas por coaxial, e fornecem uma solução de campo 2D que inclui a impedância característica e a constante de propagação. A referência de fase da porta pode ser ajustada por meio da remoção da incorporação ao longo do comprimento da linha de alimentação. As portas agrupadas podem ser usadas para fornecer uma excitação direta em locais específicos, como entre os braços de uma antena dipolo. O usuário especifica a impedância de referência para a excitação impressa.
A imagem abaixo mostra uma porta de onda atribuída ao cabo coaxial que alimenta a antena patch. Para esse tipo de cenário, quando uma porta de onda está localizada dentro do volume do modelo, um objeto condutor é usado para apoiar a porta. A seta indica a distância de desincorporação para a definição da porta.
Configuração da solução
A etapa final antes de resolver o modelo é especificar os parâmetros da solução. Isso inclui a definição da frequência de malha adaptável, do tipo e da resolução da varredura de frequência e dos parâmetros de solução relacionados à convergência. A frequência da solução adaptativa pode ser especificada na frequência mais alta de interesse para garantir a obtenção de uma boa malha. A malha também pode ser adaptada em várias frequências especificadas ou em uma faixa de frequência especificada. O parâmetro de convergência padrão para modelos de antena que incluem portas é a diferença máxima nos valores do parâmetro S entre a passagem adaptativa atual e a anterior. A imagem à esquerda abaixo mostra uma solução definida para malha adaptativa em 11,6 GHz até que a alteração nos valores do parâmetro S seja inferior a 1,5%. A guia Options (Opções) é mostrada à direita com o HFSS configurado para usar os elementos de malha de primeira ordem padrão e selecionar automaticamente o solucionador de matriz mais adequado.
Processo de convergência
O HFSS usa o método de elementos finitos para resolver as equações de Maxwell e aplica um algoritmo de malha adaptável que adiciona elementos de malha de forma inteligente em todo o domínio da solução até que o critério de convergência especificado seja atingido. Conforme mostrado na imagem abaixo, esse exemplo de modelo de antena de patch completou 9 passagens adaptativas, sendo que as duas últimas passagens atingiram o valor de convergência do parâmetro S de 1,5%. O tempo de solução foi de 2 minutos em um computador desktop normal usando 7 núcleos, e o tamanho final do modelo foi de aproximadamente 41.000 elementos de malha tetraédrica.
Malha de elementos finitos
O HFSS emprega uma técnica de malha automaticamente adaptável para simular com eficiência e precisão os fenômenos eletromagnéticos. Esse recurso de malha adaptativa especifica a densidade da malha local com base nas variações do campo eletromagnético no domínio da simulação. Além disso, o HFSS oferece aos usuários o controle sobre as configurações de malha e os critérios de refinamento, bem como a capacidade de criar operações de malha que impõem uma determinada densidade de malha em áreas específicas do modelo.
Uma malha inicial é criada com base na geometria e no valor de refinamento lambda. À medida que as passagens adaptativas são concluídas, o HFSS monitora a distribuição do campo eletromagnético e refina a malha em regiões de alta variação de campo. Ao concentrar os recursos computacionais nessas áreas críticas, o HFSS garante que a simulação atinja o requisito de convergência especificado com a malha mais eficiente.
A imagem abaixo mostra a malha que é criada automaticamente pelo HFSS na superfície superior do substrato da antena de patch. Como esperado, a borda do patch circular é a mais refinada, pois é onde os campos eletromagnéticos estão concentrados nesse tipo de antena.
Resultados do parâmetro S
Com o HFSS, os usuários podem visualizar facilmente os parâmetros S da estrutura da antena. Esses parâmetros descrevem como os sinais eletromagnéticos se propagam na antena e interagem com os componentes conectados ou com as linhas de transmissão. Ao examinar os parâmetros S, os projetistas podem avaliar várias métricas de desempenho, incluindo correspondência de impedância, perda de retorno e largura de banda. Além disso, a análise do parâmetro S permite a otimização de redes de correspondência e estruturas de alimentação para aumentar a eficiência e o desempenho da antena.
Os gráficos abaixo mostram a perda de retorno de entrada e a impedância do modelo de antena de patch, mostrando uma ressonância bem combinada em 11,59 GHz. A resposta de impedância pode ser visualizada no gráfico de Smith, no qual o local central corresponde à condição de impedância casada.
Resultados de campo distante
A visualização dos resultados de campo distante, como padrões de antena e ganho, ajuda os engenheiros de antena a entender as características de radiação e as propriedades direcionais de seu projeto. O HFSS permite que os usuários criem facilmente uma variedade de gráficos e relatórios de campo distante 2D e 3D para avaliar parâmetros importantes, incluindo diretividade, ganho, largura de feixe e eficiência de radiação. Essas informações podem ser usadas para otimizar os projetos de antenas para atender aos requisitos de desempenho. As imagens abaixo mostram visualizações do padrão de campo distante que podem ser sobrepostas à geometria da antena de patch para indicar a direção da propagação.
Resultados de campo próximo
Os usuários também podem inspecionar o comportamento do campo eletromagnético no domínio da solução. Esse recurso fornece informações valiosas sobre como as ondas eletromagnéticas interagem com as estruturas da antena e irradiam para o ambiente ao redor. Os usuários podem visualizar os campos elétricos e magnéticos em formatos de magnitude e vetor, o que pode revelar como as antenas de alimentação única e múltipla criam as ondas de radiação para uma polarização desejada.
O HFSS permite que os usuários animem as soluções de campo eletromagnético em relação à fase da solução de tempo-harmônica, permitindo a visualização dinâmica da propagação e interação do campo. Esse recurso é útil para entender o acoplamento mútuo entre os elementos da antena e outros fenômenos importantes em projetos com várias antenas. Ao visualizar essas distribuições e animações de campo eletromagnético, os usuários podem identificar melhorias no projeto e tomar decisões informadas para atingir as metas de desempenho desejadas.
A imagem abaixo mostra a magnitude do campo elétrico no plano YZ para a antena de patch circular. A imagem é exibida usando uma escala logarítmica, e há muitas opções de exibição que permitem ao usuário personalizar a aparência do gráfico para uso em apresentações e relatórios. O gráfico de campo mostra como a antena de patch irradia do perímetro para produzir uma onda de propagação centrada no patch.
