Антенны играют важнейшую роль в современных системах связи и радиолокации, обеспечивая передачу и прием электромагнитных сигналов на различных платформах. Проектирование эффективных антенн требует глубокого понимания электромагнитных принципов для обеспечения оптимальных характеристик. В этом посте представлен обзор рабочего процесса моделирования антенн в Ansys HFSS, мощном инструменте проектирования, известном своей способностью точно моделировать электромагнитные поля.
С помощью HFSS проектирование антенн становится не только эффективным, но и интуитивно понятным. Удобный интерфейс в сочетании с расширенными функциями, такими как параметрический анализ и алгоритмы оптимизации, позволяют легко исследовать широкий спектр конфигураций антенн и быстро итерировать проекты для достижения решения, удовлетворяющего требованиям.
Геометрия модели
Для начала пользователи могут воспользоваться интуитивно понятным интерфейсом, чтобы нарисовать геометрию антенны, которая может варьироваться от простых структур, таких как проволочные антенны, до сложных конфигураций решеток. Одним из ключевых преимуществ HFSS является поддержка параметризованной геометрии, что позволяет пользователям определять геометрические размеры с помощью переменных, а не фиксированных значений. Это позволяет легко исследовать варианты конструкции и облегчает проведение параметрических исследований для оптимизации характеристик антенны.
На изображении ниже показана полностью параметризованная модель круговой патч-антенны с зондовым питанием. В окне «Свойства» под менеджером проекта показано, что размеры подложки были параметризованы. На панели Draw ленты показаны многие операции рисования в одномерном, двумерном и трехмерном режимах, а также булевы операции, которые можно использовать для создания геометрии модели.
После определения геометрии элемента антенны и фидерной структуры важным шагом является создание воздушного короба вокруг антенны. Размер воздушного короба служит для установления границ области моделирования и обеспечения точного представления электромагнитной обстановки антенны. В модели, показанной выше, воздушный короб создается как область, показанная в виде проволочного каркаса.
Свойства материалов и граничные условия
Свойства материала назначаются объектам в модели, включая элементы антенны, подложки печатной платы и окружающие структуры. Свойства материала определяют, как электромагнитные волны взаимодействуют с объектами. Для моделирования антенн важны такие свойства материала, как диэлектрическая проницаемость, тангенс диэлектрических потерь и электропроводность. Точное указание свойств материала позволяет пользователям моделировать антенны в реалистичных средах и оценивать их работу в различных условиях эксплуатации.
HFSS включает библиотеку материалов, которая содержит множество материалов, часто используемых при проектировании антенн. Пользователи могут добавлять в библиотеку собственные материалы. Свойства материала могут быть частотно-зависимыми, анизотропными, пространственно-зависимыми и/или температурно-зависимыми. На рисунке ниже показано определение библиотеки материалов для материала подложки, используемого в модели патч-антенны.
Граничные условия играют важную роль в определении поведения электромагнитных полей на границах области моделирования, а также для двумерных объектов. Для антенн HFSS предоставляет несколько вариантов задания граничных условий, которые имитируют открытое пространство, позволяя электромагнитным волнам свободно распространяться без отражений. К ним относятся поглощающие граничные условия второго порядка (ABC), идеально согласованные слои (PML) и граничные интегралы конечных элементов (FE-BI). На изображении ниже показано поглощающее граничное условие, назначенное для внешних граней области воздушного короба.
Для двумерных электропроводящих объектов, таких как антенны и заземляющие плоскости, назначается граничное условие конечной проводимости. HFSS включает несколько моделей шероховатости поверхности, которые могут быть применены к этим границам для точного соответствия свойствам изготовленной антенны. Другие граничные условия, часто используемые в моделях антенн, включают плоскости симметрии, периодические границы и границы импеданса. На изображениях ниже показаны граничные условия конечной проводимости, назначенные для патч-антенны и плоскости заземления.
Возбуждения порта
Назначение портов для возбуждения антенного фида — важный шаг для обеспечения точного моделирования характеристик и поведения антенны. Как и при измерениях, порты обеспечивают удобный способ анализа входного импеданса антенны и ее согласующих свойств. Порты используются для получения параметров рассеяния (S-параметров), которые характеризуют частотную характеристику импеданса антенны и любую связь между несколькими элементами.
Волновые порты обычно используются для моделирования волноводных антенн и антенн с коаксиальным питанием и обеспечивают решение двумерного поля, включая характеристический импеданс и постоянную распространения. Фазовую характеристику порта можно регулировать путем развязывания по длине фидлайна. Объединенные порты можно использовать для прямого возбуждения в определенных местах, например, между плечами дипольной антенны. Пользователь задает опорный импеданс для импрессионного возбуждения.
На изображении ниже показан волновой порт, назначенный на коаксиальный кабель, питающий патч-антенну. Для этого типа сценария, когда волновой порт расположен внутри объема модели, для его прикрытия используется проводящий объект. Стрелка обозначает расстояние выемки для определения порта.
Настройка решения
Последним шагом перед решением модели является задание параметров решения. Это включает в себя определение частоты адаптивного зацепления, типа и разрешения частотной развертки, а также параметров решения, связанных со сходимостью. Адаптивная частота решения может быть задана на самой высокой частоте, представляющей интерес, чтобы обеспечить получение хорошей сетки. Сетка также может быть адаптирована на заданных нескольких частотах или в заданном диапазоне частот. Параметром сходимости по умолчанию для моделей антенн, включающих порты, является максимальная разница в значениях S-параметров между текущим и предыдущим адаптивным проходом. На изображении слева ниже показано решение, настроенное на адаптивную сетку на частоте 11,6 ГГц до тех пор, пока изменение значений S-параметров не станет меньше 1,5 %. На вкладке «Параметры» справа показано, что HFSS настроен на использование элементов сетки первого порядка по умолчанию и автоматический выбор наиболее подходящего матричного решателя.
Процесс сходимости
HFSS использует метод конечных элементов для решения уравнений Максвелла и применяет алгоритм адаптивного зацепления, который интеллектуально добавляет элементы сетки по всей области решения до достижения заданного критерия сходимости. Как показано на изображении ниже, эта модель патч-антенны прошла 9 адаптивных проходов, причем два последних прохода соответствовали значению сходимости S-параметров 1,5 %. Время решения составило 2 минуты на обычном настольном компьютере с 7 ядрами, а окончательный размер модели составил около 41 000 тетраэдрических элементов сетки.
Сетка конечных элементов
Для эффективного и точного моделирования электромагнитных явлений в HFSS используется автоматически адаптируемая техника построения сетки. Эта возможность адаптивного построения сетки определяет локальную плотность сетки на основе изменений электромагнитного поля в области моделирования. Кроме того, HFSS предоставляет пользователям контроль над настройками сетки и критериями уточнения, а также возможность создавать операции с сеткой, которые обеспечивают определенную плотность сетки в заданных областях модели.
Начальная сетка создается на основе геометрии и значения лямбда-уточнения. По мере выполнения адаптивных проходов HFSS отслеживает распределение электромагнитного поля и уточняет сетку в областях с высокой вариацией поля. Концентрируя вычислительные ресурсы в этих критических областях, HFSS гарантирует, что моделирование достигнет заданных требований сходимости с наиболее эффективной сеткой.
На изображении ниже показана сетка, автоматически созданная HFSS на верхней поверхности подложки патч-антенны. Как и ожидалось, край круглого патча подвергается наибольшему уточнению, поскольку именно там сосредоточены электромагнитные поля для этого типа антенн.
Результаты измерения S-параметров
В HFSS пользователи могут легко просмотреть S-параметры антенной структуры. Эти параметры описывают, как электромагнитные сигналы распространяются в антенне и взаимодействуют с подключенными компонентами или линиями передачи. Изучая S-параметры, конструкторы могут оценить различные показатели эффективности, включая согласование импеданса, возвратные потери и полосу пропускания. Кроме того, анализ S-параметров позволяет оптимизировать согласующие сети и питающие структуры для повышения эффективности и производительности антенны.
На графиках ниже показаны входные возвратные потери и импеданс модели патч-антенны, демонстрирующие хорошо согласованный резонанс на частоте 11,59 ГГц. Импедансный отклик можно рассмотреть на диаграмме Смита, на которой центральное положение соответствует согласованному импедансу.
Результаты исследования дальнего поля
Просмотр результатов дальнего поля, таких как диаграммы направленности антенны и коэффициент усиления, помогает инженерам по антеннам понять характеристики излучения и направленности их конструкции. HFSS позволяет пользователям легко создавать различные 2D и 3D графики и отчеты по дальнему полю для оценки важных параметров, включая направленность, коэффициент усиления, ширину луча и эффективность излучения. Эта информация может быть использована для оптимизации конструкции антенны, чтобы она соответствовала требованиям к производительности. На изображениях ниже показаны виды диаграммы направленности дальнего поля, которые могут быть наложены на геометрию патч-антенны для указания направления распространения.
Результаты ближнего поля
Пользователи также могут проверять поведение электромагнитного поля внутри области решения. Эта возможность позволяет получить ценные сведения о том, как электромагнитные волны взаимодействуют с антенными структурами и излучаются в окружающее пространство. Пользователи могут визуализировать электрические и магнитные поля в виде величин и векторов, что позволяет понять, как однофидерные и многофидерные антенны создают излучаемые волны для желаемой поляризации.
HFSS позволяет пользователям анимировать решения электромагнитных полей в зависимости от фазы для время-гармонического решения, что обеспечивает динамическую визуализацию распространения и взаимодействия полей. Эта функция полезна для понимания взаимной связи между элементами антенны и других важных явлений в многоантенных конструкциях. Благодаря визуализации распределений электромагнитного поля и анимации пользователи могут выявлять улучшения в конструкции и принимать обоснованные решения для достижения желаемых характеристик.
На изображении ниже показана величина электрического поля в плоскости YZ для круговой патч-антенны. Изображение отображается в логарифмическом масштабе, и существует множество опций отображения, которые позволяют пользователю настроить внешний вид графика для использования в презентациях и отчетах. График поля показывает, как патч-антенна излучает по периметру, создавая распространяющуюся волну с центром на патче.
