Ansoft HFSS在设计对数周期天线时的仿真方法

ANSYS 2011中国用户大会优秀论文

Ansoft HFSS在设计对数周期天线时的仿真方法

孙凤林黄克猛

中国西南电子技术研究所，成都，610036

[ 摘要 ] 本文通过ANSOFT HFSS设计了一个对数周期天线，在仿真分析时，发现随着求解频率的不同，天线的求解结果差别较大，求解误差较大。通过在HFSS中尝试不同的求解设置方法，

最终通过将天线模型剖分网格最大长度限定在1/50λ的方法，使的求解结果在不同频率求解

时的一致性较好，提高了仿真的准确性。为设计者在仿真类似问题时，提供了一种提高求解准

确性的方法。

[ 关键词]HFSS；网格设置；对数周期天线

The Simulation Method on designing of a Log-Periodic

Dipole Antenna on Ansoft HFSS

Sun Feng-lin，Huang Ke-meng

Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu, 610036, China

[ Abstract ] A method of simulating Log-Periodic Dipole Antenna on Ansoft HFSS is introduced in this paper. When simulating the Log-periodic antenna model, it was found that the simulation

results are difference with different Solution Frequency on HFSS, The solution error is high.

The accuracy of the solution depends on the size of each of the individual elements, to

generate a precise simulation result, applying mesh operations ,assigning Maximum length

of Elements mesh to 1/50λ, the results shows that the difference is reduced obviously, the

simulation accuracy is improved.

[ Keyword ] HFSS; mesh operations; log-periodic dipole antenna

1前言

对数周期偶极子天线（log-periodic dipole antenna），由于其工作频带宽、增益高、前后比好、结构简单、成本低等众多优点，在短波、超短波、微波等波段的通信、侧向、侦察、电子对抗等方面得到了广泛的应用。本文利用Ansoft HFSS软件对这种传统的对数周期天线进行了设计，在软件中直接建立了天线的仿真模型，并进行了相应的端口和边界设置，然而在仿真求解时却发现，随着求解频率的不同，得到的求解结果差别较大，为了获得一个较可信的分析结果，提高仿真的准确性，对HFSS一些参数设置进行了分析和验证。

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通过多次比较和验证，最终通过设置网格的办法获得了一组较准确的求解结果，并基于此设置，多模型进行了不断的优化和改进，设计了一个工作在300MHz~1000MHz的对数周期天线，证明了HFSS在设计该类天线时的有效性和正确性。

2对数周期天线的基本分析

2.1对数周期天线的建模

按传统设计方法，对数周期天线的阵子长度为：

式中，

为低频段自由空间中的工作波长，为介质相对介电常数，此处为空气介质。

设置天线工作的最高频率f h=1000MHz，工作的最低频率f L=300MHz，比例因子г

=0.85、间距因子σ=0.13，建立对数周期天线的仿真模型如图1所示。天线共有10对金属圆柱阵子，直径相同，天线采用一组正方形的金属管集合线馈电，馈电点设在天线的顶点处，仿真模型将所有部件都设置为pec材料，模型相对简单，并设置好求解频率和辐射边界后，模型检查正确后即可进行仿真。

2.2天线仿真时遇到的问题

采用Ansoft HFSS对上述对数周期天线模型进行仿真分析。分别设置了两个不同的求解频点(solution frequency)，f1=0.6GHz,f2=0.8GHz, sweep 从300MHz到600MHz进行离散扫频（discrete），如图2所示。

图1 对数周期天线的仿真模型图

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两次求解，除了求解频率不同，其余设置完全相同，仿真结果如图3所示。

从图中可以明显看出，天线两次求解的驻波曲线差别较大，最大值差别有0.37，且两条曲线的变化规律也存在不同趋势，一致性不好，说明求解存在较大误差，因此必须对天线模型和求解设置进行改进。通过提高最大Delta S ，增加辐射边界尺寸，应用PML 边界以及采用一阶（First order ）基函数等方法后，均存在上述现象。分析其原因，发现两次求解频率的不同导致两次模型网格剖分的不同，且局部网格剖分过于粗糙，因此考虑提高网格密度的办法，对模型进行手动网格加密处理。由于天线模型为规则金属柱状体结构，不存在介质，且模型外表面规则。因此考虑基于单元网格长度限制的加密处理。见图4

图2 不同求解频率设置

图3 不同求解频率驻波曲线图

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如图所示，将最大网格长度限制在20mm=1/50λL (λL 为300MHz 时的波长),然后再次对上述模型进行两次求解，求解频率依然是f 1=0.6GHz,f 2=0.8GHz 。其余设置不变，仿真结果如图5所示，

从图5可以看出，两次求解的一致性明显好于图3所示，驻波曲线趋势基本一致，驻波最大差别小于0.04，通过进一步提高网格限制和加密仿真频点，两条曲线的一致性还可以提高，但是仿真效率也会随着网格的加密而降低，因此需要根据自己的需要合理设置。在可接受的误差范围内，提高仿真效率。

2.3 天线的设计仿真结果

图4网格设置

图5 加密后不同求解频率驻波