Ansoft软件在天线电磁兼容中的应用实例

【案例分析】经典HFSS仿真实例详解新朋友请点击上⽅RFsister关注我们关于仿真软件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。

Ansoft 解决天线、电磁兼容和射频韦伯等问题的实例
介绍
北京航空航天大学RF/EMC 研发培训中心致力于射频和电磁兼容领域的
研发和培训，该中心实验室研究的领域涉及天线分析和设计、电磁兼容性分析、射频电路设计、目标特性计算和隐身材料和技术研究等。

各研究领域均
以电磁场为理论基础，因此基于计算电磁学技术的Ansoft 软件产品在本实验室的研究中发挥了巨大作用。

为进一步推动Ansoft 软件产品在电磁领域的应用，北京航空航天大学与Ansoft 公司联合成立了北京航空航天大学-Ansoft 培训中心，培训中心于2003 年10 月29~30 日在北京航空航天大学举行了第一期培训。

本文将对北航Ansoft 培训中心在使用Ansoft 软件解决天线、电磁兼容和射频韦伯等领域的工程问题的实例进行介绍。

一. 天线问题
Ansoft 软件可用于天线分析和设计问题的工具是HFSS 和Ensemble。

本中心采用这两种仿真工具对多种不同形式的天线进行了仿真，部分天线进行
了优化设计。

主要有喇叭天线和阵、对数周期天线、有源集成天线、分形技
术天线、螺旋天线、微带贴片天线、多种柱体和锥体共形天线、GPS 天线、
通信用马刀天线等。

应用 HFSS 设计一种双频段 GPS 微带天线彭祥飞，钟顺时（上海大学通信与信息工程学院，上海 200072）摘要：本文应用Ansoft 公司的HFSS 软件仿真设计一种双频段GPS 微带天线。

此天线由不同介电常数的 微波陶瓷基片组成,双层正方形切角的微带贴片通过单个探针馈电。

文中给出了天线的详细设计及实验结 果，仿真结果和实验结果很好的吻合,结果说明HFSS 软件的高效性和准确性。

关键词： Ansoft HFSS ； 微带天线；全球定位系统；双频段；圆极化；1前言Ansoft 公司 HFSS 仿真器提供了一种采用有限元法对三维高频结构电磁特性进行仿真计算的工具。

该软件具有很高的 计算精度,已经成为天线与微波电路设计方面的有力工具。

本文采用 Ansoft 公司的 HFSS 模块设计出一种双频段 GPS 微带 天线。

近年来微带天线由于它的尺寸小、成本低、易实现圆极化等优点在全球定位系统（GPS ）应用中独占鳌头。

大部分的 GPS 仅工作在L 1 频率，常用的GPS 微带天线加工在高 ∑ r 的厚陶瓷基片上 [1]，这样的天线低仰角性能好和带宽足够宽，具有 良好的广角圆极化。

但为了满足GPS 的一些特殊应用，如高精度的一体化检测或差分基准系统 [ 2 ]，GPS 天线必须在L 1/L 2 两 个频率(L 1：1575 MHz, L 2:1227 MHz )上实现圆极化。

如果用单馈电点实现双频圆极化，可以用两种微带天线结构：一种使 用单块贴片 [3, 4] , 其两圆极化工作频率比大约是 1.5 倍或更大些；另一种使用双层贴片 [5 7 ]，两圆极化频率比小于 1.5 倍。

本 设计中，L 1 和L 2 的频率比为 1.28 倍，小于 1.5 倍，所以用双层贴片设计能满足GPS 天线L 1/L 2 两个频率的要求。

但是绝大 多数文献[5~7]报道的双层贴片天线都加工在同一介电常数的两块基片上,基片中间引入空气层（可采用泡沫材料来支撑上 层），这样既增大了尺寸，又不便于加工。

Ansoft HFSS 软件的基本原理及应用一、简介（Brief Introduction）Ansoft HFSS （全称High Frequency Structure Simulator, 高频结构仿真器）是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，可以对任意的三维模型进行全波分析求解，先进的材料类型，边界条件及求解技术，使其以无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。

Ansoft HFSS的应用领域：天线1. 面天线：贴片天线、喇叭天线、螺旋天线2. 波导：圆形/矩形波导、喇叭、波导缝隙天线3. 线天线：偶极子天线、螺旋线天线4. 天线阵列：有限阵列天线阵、频率选择表面（FSS）、5. 雷达散射截面（RCS）微波1. 滤波器：腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器2. EMC（Electromagnetic Compatibility）/EMI（Electromagnetic Intergerence ）：屏蔽罩、近场－远场辐射3. 连接器：同轴连接器\底板、过渡4. 波导：波导滤波器、波导谐振器、波导连接器5. Silicon/GaAs：螺旋电感器、变压器通过HFSS可以获取的信息：1．矩阵数据：S、Y、Z参数和VSWR（匹配）2．相关的场：2D/3D近场－远场图电场、磁场、电流（体/面电流）、功率、SAR辐射3．某空间内的场求解求解类型：Full-wave求解原理：3D有限元法（FEM）网格类型：等角的网格单元：正四面体网格剖分形式：自适应网格(Adaptive Meshing)4．激励：端口求解求解原理：2D-FEM形式：自适应网格（边界条件）HFSS软件的求解原理总体来说，HFSS软件将所要求解的微波问题等效为计算N端口网络的S 矩阵，具体步骤如下：●将结构划分为有限元网格（自适应网格剖分）●在每一个激励端口处计算与端口具有相同截面的传输线所支持的模式●假设每次激励一个模式，计算结构内全部电磁场模式●由得到的反射量和传输量计算广义S矩阵图1 求解流程图自适应网格剖分是在误差大的区域内对网格多次迭代细化的求解过程，利用网格剖分结果来计算在求解频率激励下存在于结构内部的电磁场。

Ansoft 培训中心的几个 应用实例介绍谢拥军 龚书喜 苏涛 西安电子科技大学天线与微波国家重点实验室 副主任/主任、教授、博士生导师一、复杂运载平台系统天线布局的设计 二、民航客机雷达散射截面特性研究 三、内置PCB板机箱的屏效计算 四、交叉耦合滤波器设计 五、大型波导缝隙天线的设计和仿真1一、复杂运载平台系统天线布局的设计1. 系统天线布局设计的含义 2. Ansoft仿真设计解决思路系统天线布局设计的含义随着通信、电子及航空航天技术的飞速发展，现代 电子系统设备日益复杂化、集成化。

当大量电子设备密集于运载平台时，如何合理有效 地布置各类天线，以确保所有设备兼容工作？ 通过各种相关的隔离技术进行合理有效的天线布局 设计，能使整个系统共存于同一运载平台的物理和 电磁环境中，一起执行各自功能。

合理有效地完成天线布局设计已是整个平台系统设 计成功与否的最重要的环节之一！2Ansoft仿真设计解决思路在较低频段，由于天线工作波长或谐振波长比较 长，相当于降低了系统的电尺寸，使得利用软件进 行辅助计算成为可能。

利用虚拟原型，通过精确的三维全波电磁场仿真预 测其电性能，可全面仿真分析不同布局下系统天线 的阻抗和辐射特性、相互间耦合以及电磁场分布情 况。

研究系统各天线不同布局与各天线自身性能、天线 间的互耦及电磁场分布之间的关系，并利用参数 化、调谐试验、优化设计、敏感性和公差统计分析 最终解决各种平台系统天线布局优化设计。

Ansoft仿真设计解决思路我们以一架飞机为例，分析 其表面天线的隔离度。

右图 是运载平台系统的3D模型。

◆ ◆ ◆ ◆翼展 全长 尾翼高度 机身长度21.8 50.5 6.6 42.4米 米 米 米下面我们介绍系统各天线模 型的创建。

3Ansoft仿真设计解决思路单极子天线 刀型天线虚拟物体Ansoft仿真设计解决思路下图是运载平台系统的完整模型4二、民航客机雷达散射截面特性研究1. 雷达散射截面的概念 2. Ansoft仿真解决方案雷达散射截面的概念物体被电磁波照射时，能量将朝各个方向散射。

Example1.1_HFSS_同轴探针馈电微带贴⽚天线（1-3.5GHz）第五章天线实例第三节同轴探针微带贴⽚天线这个例⼦教你如何在HFSS设计环境下创建、仿真、分析⼀个同轴探针微带贴⽚天线。

F 5.3.1F 5.3.2微波仿真论坛组织翻译第133 页第五章天线实例⼀.开始⼀)启动Ansoft HFSS1、点击微软的开始按钮，选择程序，然后选择Ansoft，HFSS10程序组，点击HFSS10，进⼊Ansoft HFSS。

⼆)设置⼯具选项1、设置⼯具选项注意：为了与这个例⼦的后续步骤⼀致，要对⼯具选项进⾏如下设置：1、选择菜单：Tools > Options > HFSS Options2、HFSS选项窗⼝a、点击常规（General）标签创建边界时使⽤数据输⼊条：选复制⼏何图形的边界：选b、点击确定键。

3、选择菜单Tools 〉 Options 〉3D Modeler Options 。

4、3D模块选项窗⼝a、点击Operation 键曲线⾃动封闭：选b、点击Drawing 键新的原始模型编辑属性C、点击确定。

三)打开新⼯程1、在HFSS窗⼝，点击⼯具条上的，或者选择菜单File > New 。

2、从Project菜单选择Insert HFSS Design 。

F 5.3.3四)设置求解类型微波仿真论坛组织翻译第134 页第五章天线实例1.选择菜单 HFSS 〉 Solution Type 。

2.Sloution Type 窗⼝：1).选择终端驱动（ Driven Terminal ）。

2).点击确定。

F 5.3.4⼆.建⽴3D模型⼀)设置模型单位1.选择菜单3D Modeler 〉 Units 。

2.设置单位：A、选择单位厘⽶（cm）B、点击确定⼆)设置默认材料1.在3D模型材料⼯具栏，选择Select。

F 5.3.52.选择定义窗⼝：A、在通过名称区域输⼊Rogers RT/duroid 5880（tm）。

第四章应用ANSOFT HFSS对曲面结构贴片天线的模拟4.1应用HFSS对锥形衬底圆贴片天线的模拟所求解的结构体图型如4.1.1图所示。

图4.1.1结构体模型结构体的具体尺寸如下所示：a=1.2λ0h=0.6λ0其中介质锥的介电常数εr =2.0。

选定工作频率为f=15GHz,相对应的真空中的波长为λ0=20 mm，这样结构体的几何尺寸已经完全确定，下面介绍求解的全过程。

选定求解方式为(Solution Type)Driven modal。

1.建立所求结构体的几何模型(单位：mm)。

由于此结构体的几何形状较简单，使用工具栏中的Draw命令可直接画出，这里不再赘述述。

画出的结构体如图4.1.2所示。

2.充结构体的材料选定结构体中的锥体部分,添加其介电常数εr =2.0的介质材料。

图4.1.2 结构体的几何模型注：如果HFSS中没有提供与所需参数完全相同的材料，用户可以通过新建材料或修改已有材料，使其参数满足用户需求。

3. 设定结构体的边界条件及其激励源。

a.选定结构体的贴片部分，设定其为理想导体(PerfE)。

b.画出尺寸为X×Y×Z=70mm×70mm×40mm的长方体作为辐射边界,并设定其边界条件为辐射边界条件(Radiation Boundary)。

c.由于要求出结构体的RCS，因此设定激励源为平面入射波(Incident Wave Source)。

如图4.1.3所示。

图4.1.3 设置激励源为平面入射波图4.1.4 求解过程的设定细节4. 设定求解细节，检验并求解a.设定求解过程的工作频率为f=15GHz.其余细节设定如图4.1.4所示。

b. 设定远区辐射场的求解(Far Field Radiation Sphere 栏的设定)。

c. 使用V alidation check命令进行检验，无错误发生，下一步运行命令Analyze，对柱锥结构体进行求解。