【案例分析】经典HFSS仿真实例详解

【案例分析】经典HFSS仿真实例详解
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关于仿真软件HFSS相信⼤家多少都有听过，这是⼀款⾮常强⼤好⽤的仿真软件，已经被应⽤于多个领域，当然，天线设计也离不开仿真软件。

本期⼩编为⼤家带来的是经典天线——对称振⼦天线仿真。

下⾯我们先来看看软件的简介。

HFSS – High Frequency Structure Simulator，Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件，⽬前已被ANSYS公司收购；是世界上第⼀个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的⼯业标准。

HFSS提供了⼀简洁直观的⽤户设计界⾯、精确⾃适应的场解器、拥有空前电性能分析能⼒的功能强⼤后处理器，能计算任意形状三维⽆源结构的S参数和全波电磁场。

HFSS软件拥有强⼤的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、⽅向性、远场⽅向图剖⾯、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴⽐。

使⽤HFSS，可以计算：
①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；
②端⼝特征阻抗和传输常数；
③ S参数和相应端⼝阻抗的归⼀化S参数；
④结构的本征模或谐振解。

⽽且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft⾼频解决⽅案，是⽬前唯⼀以物理原型为基础的⾼频设计解决⽅案，提供了从系统到电路直⾄部件级的快速⽽精确的设计⼿段，覆盖了⾼频设计的所有环节。

下⾯我们先来看看建⽴HFSS⼯程的⼀般过程。

（1）⾸先第⼀步是运⾏Ansoft HFSS：
（2）然后单击下图红框处图标，在当前⼯程中插⼊⼀个设计：
（3）选择求解类型，如下图：
（4）为建⽴模型设置合适的单位，如下图：
（5）在3D窗⼝中建⽴模型。

（6）设置需要的辐射边界。

（7）如果选择激励求解或激励终端求解，则需要为模型设置激励。

（8）设置求解频率及扫频操作等。

（9）点击下图按钮，检查当前⼯程的有效性。

（10）点击下图按钮，求解当前⼯程。

（11）对已求解的⼯程创建结果报告。

以上就是建⽴HFSS⼯程的⼀般过程，我们进⼊正题：对称振⼦天线仿真。

对称振⼦天线不仅是⼀种结构简单的基本天线，⽽且是⼀种经典的、迄今为⽌采⽤最⼴泛的天线。

单个半波对称振⼦可以简单地单独使⽤或做抛物⾯天线的馈源，也可采⽤多个半波对称振⼦组成天线阵。

两臂长度相等的振⼦叫做对称振⼦。

每臂长度为四分之⼀波长，全场为⼆分之⼀波长的振⼦，称半波对称振⼦。

仿真过程如下：
1、建⽴新的⼯程。

2、设置求解类型
3、设置模型单位
4、设置模型默认材料
在⼯具栏中设置模型的下拉菜单中点击Select ，在设置材料窗⼝中选择copper材料。

5、创建对称振⼦模型
（1）创建ring_1。

在菜单栏中点击Draw>Cylinder，画⼀个半径0.31⾼5的圆柱体（命名ring_inner）
然后使⽤相同的命令与⽅法在同⼀中⼼坐标点位置画出另⼀个圆柱体（命名ring_1），半径0.37⾼5，再使⽤命令3D Modeler>boolean>subtract ，⽤⼤圆柱体减去⼩圆柱体（如下图）
效果图如下：
（2）使⽤相同的办法创建ring_2
圆柱中⼼坐标相同，⼤圆柱半径0.5，⼩圆柱半径0.435，⾼度都是5效果如下图：
（3）创建Arm_1
在菜单栏中点击Draw>Box；
然后在右下⾓的坐标栏输出长⽅体的起始点位置坐标。

X:-0.1 Y:-0.31 Z:5.0
接着输⼊长⽅体X、Y、Z三个⽅向尺⼨。

dX:0.2 dY:-4.69 dZ:-0.065
并命名为Arm_1
模型如下：
（4）创建Center pin
模型如下图：
（5）创建Arm_2
在菜单栏中点击Draw>Box；
然后在右下⾓的坐标栏输出长⽅体的起始点位置坐标。

X:-0.1 Y:0.0 Z:5.1
接着输⼊长⽅体X、Y、Z三个⽅向尺⼨。

dX:0.2 dY:5.0 dZ:-0.065
并命名为Arm_2
模型如下图：
（6）创建Grounding pin
模型如下：
6、创建波端⼝
（1）创建波端⼝圆⾯模型
（2）设置波端⼝。

7、创建辐射边界
（1）设置默认材料
在⼯具栏中设置模型的默认材料为真空（vacuum）。

（2）创建Air
Draw>Box
坐标如下：
X:-5 Y:-10.0 Z:0.1
接着输⼊长⽅体X、Y、Z三个⽅向尺⼨。

dX:10.0 dY:20.0 dZ:12.0
并命名为Air
（3）设置辐射边界
选刚刚画的盒⼦Air；
在菜单中点击HFSS >Boundaries>assign>Radiation，然后单机OK。

8、创建地板
（1）在菜单中点击Edit>Select>faces;
（2）选择Air中Z=0的下底⾯
（3） HFSS >Boundaries>assign>Finite Conductivity
设置如下图：
9、辐射场⾓度设置
（1）在菜单中点击HFSS > Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。

设置如下图：
10、设置求解
为该问题设置求解频率及扫频范围。

（1）设置求解频率。

在菜单中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。

设置如下图：
（2）设置扫频
HFSS>Analysis Setup>Add Solution Sweep。

设置如下图：
11、求解该⼯程
在菜单栏中点击HFSS>Analyze.
12、后处理操作
（1）S参数
导出图如下：
对称振⼦的反射系数曲线图
从图中能读出，天线⼯作的中⼼频率为0.55GHz，反射系数约为-16.03dB
（2）2D辐射远场
导出图如下：
从图中读出，天线最⼤辐射⽅向出现在俯⾓θ=0处（正Z⽅向）
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