【《基于HFSS软件的超宽带天线的分析案例》2400字】

基于HFSS软件的超宽带天线的分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u5212基于HFSS软件的超宽带天线的分析案例 1157481.1超宽带天线的分析方法 1181111.1.1有限元法 117691.1.2矩量法 1135771.1.3时域有限差分法 162031.2HFSS软件简介 1147551.2.1HFSS软件概述 1310761.2.2HFSS天线设计流程 2326111.2.3HFSS天线设计步骤 31.1超宽带天线的分析方法利用麦克斯韦方程，对周边空间中的电磁场进行了求解。本文所述的天线计算方法，如：矩量法、有限元法、时域有限差分法、有限积分法等REF_Ref22385\r\h[6]。1.1.1有限元法有限元方法的基本方法是：按所给的边界问题的表达式列出相应的条件，把大问题分解成多变量函数的极值问题；对所解区域进行网格划分与解析，建立方程组，并将其合并；在此基础上，引入了边界条件，并对其进行了求解。其优点是具有很强的灵活性和较低的运算量。1.1.2矩量法矩量法是将待求的积分、微分方程转化为一类代数方程，再由代数方程组得到最后的结果。矩量法无需对其进行网格分割，但其运算速度与代数方程的系数矩阵的秩有关，而该系数矩阵一般为满阵，因此计算时间较长。。1.1.3时域有限差分法该方法采用直接解麦克斯韦方程，把麦克斯韦方程的旋度方程转化成微分方程，再用差分法对六个微分方程进行离散。由微分方程可知，任意一位置电场都与上一次步长、垂直于其上一次瞬时的磁场以及介质的参量有关。利用电磁场的初值和边界条件，推导出了电磁场随时间的改变在空间中的分布。1.2HFSS软件简介1.2.1HFSS软件概述计算机在当今时代的高速发展促使了很多软件的诞生，这其中，用于研究分析仿真电磁场的软件诞生并得到了广泛使用。这些软件对电磁场的分析方法都是基于数值分析法之上的，借助他们仿真时，使用者只需要将设计的天线模型及端口、边界等参数求解问题进行设置，在分析之后进行仿真，会使电磁场变得更加真实可感，也大大减少了科研人员的工作量，提高了天线设计的准确性和效率，缩短了设计的周期，降低了设计成本HFSS作为Ansoft公司推出的有限元法三维电磁软件，凭借它简洁的使用界面和强大的功能在一众软件中脱颖而出。它具备精确的自适应的场解器和能分析大量数据的处理器，可供研究人员计算任意形状三维的电磁场的S参数，除此之外，还可以计算边界、辐射特性、阻抗匹配等等。之所以能成为业界佼佼者，是因为它还包含了极为强大的天线设计功能，通过使用者自己的参数设定和需求，HFSS可以为用户提供天线的增益、方向性、极化特性等等直观的数据显示。1.2.2HFSS天线设计流程图3-1HFSS天线设计流程1）建立新工程。2）设置求解类型，有模式求解和终端求解两种可供选择。HFSS-SolutionType-DrivenModal。3）创建天线的结果模型。可以根据自己设计的天线的尺寸和结构，自己在软件中进行画图制作。除此之外，还可以直接将AutoCAD、Pro/E等第三方软件创建的结构模型导入。4）设置理想金属边界条件。在图形左侧点击plane，在菜单栏新选择HFSS-Assign-PerfectE，选中air，同理选择Radiation，应用于板子。一般将导体结构设为理想导体边界条件（PerfectE）或者有限导体边界条件。实际设计时，软件并不能设计无限大的空间区域进行模拟，所以只能把与背景相接触的表面设置为理想的边界条件即可满足要求。5）设置激励方式。传输线在天线中起到关键的作用，天线必须通过传输线才能传递信号。激励方式主要有两种：波端口激励和集中端口激励。6）设置求解参数。有两步分别为设置求解频率以及扫频参数。这是参数分析的重要步骤。7)进行解的分析。所有这些都做完了，我们就可以建立一个天线的模型，然后进行解析。不过，这需要确定前面的参数和边界都是正确的，否则发线上的参数设置就会出错。HFSS中的验证检验可以用于检验过程中是否有疏漏。如果通过，就能对有关的参数进行分析。数据分析不用人力，整个过程都是软件自行完成，只要等待结果就可以了。8)检视解决的结果。当计算结果结束时，HFSS会给出经过处理的资料，从而可以了解到该天线的各种特性。例如，S11的回波损耗，VSWR的驻波比，输入阻抗，等等。如果最终的结果和我们的天线达到了预期的效果，那就是我们的计划成功了。若不能满足要求，就必须对天线的结构和边缘做进一步的改进。直到达到标准。9)Optimetrics优化设计。如果以上分析符合条件，则在Optimetrics中对其进行优化，通过不断的优化，最终得到最佳的天线尺寸和结构。1.2.3HFSS天线设计步骤首先将软件进行安装，本文使用的是HFSS2021的版本，首先要确保软件安装无误。安装成功后如图：图3-2运行HFSS界面图（2）运行HFSS并新建工程双击HFSS的图标，启动HFSS软件。或者在上面工具栏选择Project-HFSSDesign来启动。打开界面以后选择File-saveas把文件保存在提前建立的文件夹内。要注意的是保存路径不能含有中文，否则读取会出现错误。图3-3新建HFSS工程（3）设置求解类型选择HFSS-SolutionType，进入求解类型的设置窗口。窗口界面如图所示：图3-4求解类型设置界面求解类型有终端，本征和特征，在这里使用默认的就行。（4）模型长度单位设置选择Modeler里面的Units选项，设置基本单位毫米（mm）如图所示：图3-5单位设置（5）添加和定义设计变量单击HFSS-DesignProperties，单击Add按钮，按照我们的计算结果，把需要添加的变量名称以及数量和属性添加即可。图3-6添加和定义变量（6）创建天线模型选择Draw内的圆形方块等可以建立天线模型。利用人工剪裁等方法，可以把不同的天线模型进行裁剪，也可以把不同的零件拼接起来。当然，在绘制模型的时候，一定要注意参数和坐标，千万别把它搞乱了，否则会造成天线的错误。图3-7构建天线模型（7）扫频设置执行扫描设定后，我们会选择HFSS-Analysis-edit的特性，然后弹出下面的视窗。选择Analysis节点Setup1，在弹出的选项中选择添加自由提示，你可以设定频率范围和步骤。需要特别说明的是，这是建立模型之前的，窗口中显示的类型是插值扫频，在我们后面的设计中，不涉及选择类型的问题。图3-8扫频设置界面（8）进行仿真在建立好模型后，可以查看基础参数，看看有没有什么问题，然后点击HSFF中的ValidationCheck，确认天线是否正确，如果没有问题，就可以进行模