手把手教你用HFSS設(shè)計(jì)天線

天線的任務(wù)是將導(dǎo)行波變換為向空間定向輻射的電磁波，或?qū)⒃诳臻g傳播的電磁波變?yōu)槲⒉ㄔO(shè)備中的導(dǎo)行波，因此天線有兩個(gè)基本作用：

一個(gè)是有效地輻射或接收電磁波, 另一個(gè)是把無線電波能量轉(zhuǎn)換為導(dǎo)行波能量。

天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無線電設(shè)備。

天線輻射的原理：當(dāng)導(dǎo)線上有交變電流通過時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。

若兩條導(dǎo)線距離很近，電場(chǎng)被束縛在兩條導(dǎo)線之間，那么輻射很微弱。

若將兩條導(dǎo)線張開，電場(chǎng)就散播在周圍的空間內(nèi)，那么輻射增強(qiáng)。

當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度L遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ時(shí)，輻射很微弱；當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度L增大到可與波長(zhǎng)λ相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。

輻射的基本單元有電基本振子和磁基本振子。

共有三種求解類型，分別是模式驅(qū)動(dòng)求解（Driven Modal）、終端驅(qū)動(dòng)求解（Driven Terminal）和本征求解（Eigenmode）。

使用HFSS進(jìn)行天線設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇模式驅(qū)動(dòng)求解類型（Driven Modal）或者終端驅(qū)動(dòng)求解類型（Driven Terminal）。

模式驅(qū)動(dòng)求解類型是根據(jù)導(dǎo)波模式的入射和反射功率來計(jì)算S參數(shù)矩陣的解，終端驅(qū)動(dòng)求解類型是根據(jù)傳輸線終端的電壓和電流來計(jì)算S參數(shù)矩陣的解。

根據(jù)天線的初始尺寸和結(jié)構(gòu)，在HFSS模型窗口中創(chuàng)建出天線的HFSS參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。另外HFSS也可以直接導(dǎo)入AutoCAD、Pro/E等第三方軟件創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)模型。

在HFSS中，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一般設(shè)定為理想導(dǎo)體邊界條件（PrefectE）或者有限導(dǎo)體邊界條件。使用HFSS設(shè)計(jì)天線時(shí)，還必須在輻射體的外側(cè)正確設(shè)置輻射便捷條件或則理想匹配層（PMI）邊界條件，這樣HFSS才可以計(jì)算天線的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。

HFSS中定義了許多種邊界條件類型，分別是理想導(dǎo)體邊界條件（Perfect E）、理想磁邊界條件（Perfect H）、有限導(dǎo)體邊界條件（Finite Conductivity）、輻射邊界條件（Radiation）、對(duì)稱邊界條件（Symmetry）、阻抗邊界條件（Impedance）、集總RLC邊界條件（Lumped RLC）、無限地平面（Infinite Ground Plane）、主從邊界條件（Master and Slave）、理想匹配層（PML）和分層阻抗邊界條件（Layered Impedance）。天線設(shè)計(jì)中，最常用的邊界條件是理想導(dǎo)體邊界條件（Perfect E）、有限導(dǎo)體邊界條件Finite Conductivity）、輻射邊界條件（Radiation）和理想匹配層（PML）。

a. 理想導(dǎo)體邊界條件

在HFSS中，任何與背景相關(guān)聯(lián)的物體表面以及材質(zhì)為理想電導(dǎo)體（Pec）的物體表面都會(huì)被自動(dòng)設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界。這種邊界條件的電場(chǎng)矢量（E-Field）垂直于物體表面。

b. 有限導(dǎo)體邊界條件

實(shí)際天線結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體部分通常都是使用良導(dǎo)體，如金屬銅。使用有限導(dǎo)體邊界，可以實(shí)現(xiàn)把一個(gè)平面的邊界條件設(shè)置為金屬銅、金屬鋁等良導(dǎo)體。

c. 輻射邊界條件

輻射邊界條件也稱為吸收邊界條件（Absorbing Boundary Condition, ABC）,用于模擬開放的有限空間。系統(tǒng)在輻射邊界處吸收了電磁波，本質(zhì)上可以把邊界看成是延伸到空間無限遠(yuǎn)。

在使用HFSS進(jìn)行天線設(shè)計(jì)時(shí)，必須定義輻射邊界條件或者理想匹配層，用以模擬開放的自由空間。在設(shè)計(jì)中只有定義了輻射邊界條件或者輻射匹配層，軟件才會(huì)自動(dòng)分析計(jì)算天線的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。

使用輻射邊界條件作為自由空間的近似，這種近似的準(zhǔn)確程度取決于波的傳播方向和輻射邊界表面之間的態(tài)度，以及輻射體與邊界表面之間的距離。若用θ表示波的傳播方向和輻射邊界表面的之間的角度，當(dāng)波的傳播方向與輻射邊界表面正交，即θ=0°時(shí)，電磁能量幾乎全部被邊界吸收，反射系數(shù)最小，此時(shí)，仿真計(jì)算結(jié)果最準(zhǔn)確；當(dāng)波的傳播方向與輻射邊界表面平行，即θ=90°時(shí)，電磁能量幾乎全部被輻射邊界反射回去，此時(shí)仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度最差。當(dāng)輻射邊界和偶極子天線之間的距離大于λ/4時(shí)，回波損耗S11分析結(jié)果基本一致，不再有大的波動(dòng)。

d. 理想匹配層（PML）

在天線設(shè)計(jì)中，除了可以使用輻射邊界條件來模擬開放的自由空間之外，也可以選擇使用理想匹配層來模擬開放的自由空間。

理想匹配層（Perfectly Matched Layers, PMI）是能夠完全吸收入射電磁波的假想的各項(xiàng)異性材料邊界，其有兩種典型的應(yīng)用，一是用于外場(chǎng)問題中的自由空間截?cái)啵怯糜趯?dǎo)波問題中的吸收負(fù)載。對(duì)于自由空間截?cái)嗟那闆r，PML表面能夠完全吸收入射來的電磁波，其作用類似于輻射邊界條件。和輻射邊界條件相比，理想匹配層由于能夠完全吸收入射的電磁波，零反射，因此計(jì)算結(jié)果更精確。另外，理想匹配層表面可以距離輻射體更近，差不多1/10個(gè)波長(zhǎng)即可，而輻射邊界條件和輻射體之間的距離一般需要大于1/4個(gè)工作波長(zhǎng)。

在HFSS中，激勵(lì)是一種定義在三維物體表面或者二維平面物體上的激勵(lì)源，這種激勵(lì)源可以是電磁場(chǎng)、電壓源、電流源或者電荷源。

HFSS中定義了多種激勵(lì)方式，主要有波端口激勵(lì)（Wave Port）、集總端口激勵(lì)（Lumped Port）、Floquet端口激勵(lì)（Floquet Port）、入射波激勵(lì)（Incident Wave）、電壓源激勵(lì)（Voltage Source）、電流源激勵(lì)（Current Source）和磁偏置激勵(lì)（Magnetic Bias）。

天線必須通過傳輸線或者波導(dǎo)傳輸信號(hào)，天線與傳輸線或者波導(dǎo)的連接處即為饋電面或者稱為激勵(lì)端口。天線設(shè)計(jì)中饋電面的激勵(lì)方式主要有兩種，分別是波端口激勵(lì)（Wave Port）和集總端口激勵(lì)（Lumped Port）。

其中，如果端口平面與背景相接觸，激勵(lì)方式需要設(shè)置為波端口激勵(lì)；如果端口平面在模型內(nèi)部，激勵(lì)方式則需要設(shè)置為集總端口激勵(lì)。

a.波端口激勵(lì)

與背景接觸到的端口平面需要設(shè)置為波端口激勵(lì)。在設(shè)置波端口激勵(lì)是，需要設(shè)置積分校準(zhǔn)線（模式驅(qū)動(dòng)求解類型）或終端線（終端驅(qū)動(dòng)求解模式）、S參數(shù)歸一化阻抗值和端口平移距離等信息。

對(duì)于模式驅(qū)動(dòng)求解類型，在設(shè)置波端口激勵(lì)方式時(shí)，需要設(shè)定端口的積分線（Integration Line）。設(shè)定積分線的目的有兩個(gè)，一是確定電場(chǎng)的方向，積分線的箭頭指向即為電場(chǎng)的正方向；二是設(shè)定端口電壓的積分路徑，用于計(jì)算端口電壓等參數(shù)。

對(duì)于終端驅(qū)動(dòng)求解類型而言，在設(shè)置波端口激勵(lì)方式時(shí)需要設(shè)定端口的終端線（Terminal Line），通過終端線上的節(jié)點(diǎn)電流和電壓來計(jì)算端口的阻抗和S參數(shù)矩陣。

b.集總端口激勵(lì)

集總端口激勵(lì)（Lumped Port）類似于傳統(tǒng)的波端口激勵(lì)，與波端口激勵(lì)不同的是集總端口激勵(lì)需要設(shè)置在物體模型內(nèi)部，且用戶必須設(shè)定端口阻抗。集總端口直接在端口處計(jì)算S參數(shù)，設(shè)定的端口阻抗為集總端口上S參數(shù)的參考阻抗。集總端口不能進(jìn)行端口平移操作。

集總端口的設(shè)置和波端口類似，需要設(shè)置積分線（模式驅(qū)動(dòng)求解類型）或終端線（終端驅(qū)動(dòng)求解類型）以及端口阻抗。與波端口激勵(lì)不同的是，集總端口邊緣沒有與導(dǎo)體或其他端口相觸的部分，默認(rèn)邊界條件是理想磁邊界（Perfect H），因此不存在電場(chǎng)耦合到波端口邊緣影響傳輸線特性的問題。對(duì)于 微帶線、帶狀線等半開放類的結(jié)構(gòu)，集總端口平面的大小只需與微帶線或帶狀線的寬度相同即可。

HFSS軟件采用自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)剖分技術(shù)，根據(jù)用戶設(shè)置的誤差標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)生成精準(zhǔn)、有效的網(wǎng)絡(luò)來分析物體模型的電磁特性。HFSS基本的求解參數(shù)包括求解頻率、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)剖分的最大迭代次數(shù)和收斂誤差。如果需要進(jìn)行掃頻分析，還需要設(shè)置掃頻類型和掃頻范圍。

a.求解設(shè)置

求解頻率通常設(shè)定為天線的中心工作頻率。

b.掃頻設(shè)置

在天線設(shè)計(jì)中通常還需要查看天線的頻率特性，比如天線的駐波比隨頻率的變化。此時(shí)就需要添加掃頻分析項(xiàng)，設(shè)置掃頻類型和掃頻范圍。HFSS中總共有三種掃頻類型，分別是快速掃頻（Fast）、離散掃頻（Discrete）、和插值掃頻（Interpolating）。其中。天線設(shè)計(jì)多選擇快速掃頻或者插值掃頻。

上述操作完成后，即創(chuàng)建好天線模型，正確設(shè)置了邊界條件、激勵(lì)方式和求解參數(shù)，即可執(zhí)行求解分析操作命令來運(yùn)行仿真計(jì)算。整個(gè)仿真計(jì)算由HFSS軟件自動(dòng)完成，不需要用戶干預(yù)。分析完成后，如果結(jié)構(gòu)不收斂，則需要重新設(shè)置求解參數(shù)；如果結(jié)果收斂，則說明計(jì)算結(jié)果達(dá)到了設(shè)定的精度要求。

求解分析完成后，在數(shù)據(jù)后處理部分可以查看HFSS分析出的天線的各項(xiàng)性能參數(shù)，如回波損耗S11、電壓駐波比VSWR、輸入阻抗、天線方向圖、軸比和電流分布等。如果仿真計(jì)算的天線性能滿足設(shè)計(jì)要求，那么已經(jīng)完成了天線的仿真設(shè)計(jì)，此時(shí)可以著手制作、調(diào)試實(shí)際的天線了。如果仿真計(jì)算的天線性能未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么還需要使用HFSS的參數(shù)掃描分析功能或者優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，進(jìn)行參數(shù)掃描分析和優(yōu)化分析。

Optimetries是集成在HFSS中的設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊，該模塊通過自動(dòng)分析設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對(duì)求解結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)參數(shù)掃描分析（Parametric）、優(yōu)化設(shè)計(jì)（Optimization）、調(diào)諧分析（Tuning）、靈敏度分析（Sensitivity）和統(tǒng)計(jì)分析（Statistical）等功能。

如果前面的分析結(jié)果未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么還需要使用Optimetrics模塊的參數(shù)掃描分析功能和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能來優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)尺寸，以找到滿足設(shè)計(jì)要求的天線尺寸。

a.參數(shù)掃描分析

參數(shù)掃描分析功能用來分析天線的性能隨著指定變量的變化而變化的關(guān)系，在優(yōu)化設(shè)計(jì)前一般使用參數(shù)掃描分析功能來確定被優(yōu)化變量的合理變化區(qū)間。使用參數(shù)掃描分析功能，首先需要添加一個(gè)或則多個(gè)掃描變量。

b.優(yōu)化設(shè)計(jì)

     優(yōu)化設(shè)計(jì)是指HFSS在一定的約束條件下根據(jù)待定的優(yōu)化算法對(duì)設(shè)計(jì)的某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從所有可能的設(shè)計(jì)變化中尋找一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的值。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要明確設(shè)計(jì)要求或設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后用戶根據(jù)設(shè)計(jì)要求定義設(shè)計(jì)變量、創(chuàng)建參數(shù)化的初設(shè)結(jié)構(gòu)模型（Nominal Design）、構(gòu)造目標(biāo)含糊，最后指定優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化。

Optimizer下拉列表框用于優(yōu)化算法，其下拉列表中共有5種優(yōu)化算法可供選擇，分別是非線性順序編程算法（Sequential Nonlinear Programming，SNLP）、混合整數(shù)非線性順序編程算法（Sequential Mixed-Integer Nonlinear Programming，SMINLP）、擬牛頓法（Quasi Newton）、模式搜索法（Pattern Search）和遺傳算法（Genetic Algorithm）。在多數(shù)情況下，建議用戶選擇擬牛頓法或者SNLP優(yōu)化算法。

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