Ansoft_HFSS_軟件(下)

1、回顧：上節(jié)課我們已經(jīng)對(duì) Ansoft 公司的 HFSS 的操作和功能做了簡(jiǎn)單的介紹，并通過(guò) 一個(gè)例子學(xué)習(xí)了 HFSS 建模和仿真分析天線的步驟，這些步驟如下：1 、創(chuàng)建新工程和基本運(yùn)行環(huán)境設(shè)定：長(zhǎng)度單位、求解類型 Driven Modal (無(wú)源、 高頻結(jié)構(gòu)如微帶、 波導(dǎo)、 傳輸線， 入射波與反射波) ；Driven Terminal (多導(dǎo)體傳輸線，電壓與電流)2、創(chuàng)建模型：作圖、設(shè)置材料、激勵(lì)端口( Lumped Port )、空氣腔、輻射邊 界等；3 、求解設(shè)置： Analysis 節(jié)點(diǎn)下右鍵添加工作頻率、求解最大步數(shù)、誤差、掃頻 設(shè)置；4、遠(yuǎn)場(chǎng)設(shè)置：Radiation下插入Phi和Th

2、eta的范圍；5、有效性檢測(cè)和仿真；6、 創(chuàng)建結(jié)果：反射系數(shù)、3D 輻射方向圖、史密斯圓圖，電流分布等；上節(jié)課的貼片天線是采用微帶線通過(guò)縫隙耦合對(duì)輻射貼片進(jìn)行饋電而實(shí)現(xiàn)的，輻射線極化波。本節(jié)課我們將介紹一種圓極化微帶天線的實(shí)現(xiàn)方法，采用同軸探針饋電，并 結(jié)合優(yōu)化的例子來(lái)介紹一下參數(shù)掃描分析和參數(shù)優(yōu)化的使用。變量的設(shè)置與優(yōu)化簡(jiǎn)介變量的設(shè)置是為了方便仿真結(jié)構(gòu)的調(diào)整和今后的參數(shù)優(yōu)化。 我們選中一個(gè)物體， 在屬性窗口的Comma nd標(biāo)簽頁(yè)中可以用變量代替數(shù)值，然后按En ter,系統(tǒng)會(huì)提示你對(duì)新增的變量設(shè)定初始值，注意輸入初始值的時(shí)候要帶上單位。當(dāng)我們點(diǎn)擊工程樹(shù)中的 設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，所有的變量都會(huì)在屬性

3、窗口顯示，我們可以在這里很方便的修改物體結(jié) 構(gòu)的位置和尺寸，而不用分別選定每個(gè)對(duì)象進(jìn)行修改。另外變量之間，變量與有效的 數(shù)值之間可進(jìn)行加減乘除運(yùn)算， 并可將算式直接輸入屬性窗口， 使優(yōu)化更為方便準(zhǔn)確。優(yōu)化是一套分析工具，是尋找自定義目標(biāo)函數(shù)最小值的過(guò)程，優(yōu)化過(guò)程會(huì)修正變 量直到最小值達(dá)到要求的精度為止。首先設(shè)計(jì)者建立一個(gè)原始模型，然后可以定義幾 乎任何設(shè)計(jì)中的參數(shù)作為變量，比如說(shuō)幾何尺寸、材料特性或者邊界條件，然后對(duì)原 始模型進(jìn)行優(yōu)化。1、參數(shù)掃描分析( Parametric )：定義一個(gè)或者多個(gè)變量掃描，每個(gè)變量掃描是 所定義變量一定范圍內(nèi)的取值。對(duì)所有變量組合進(jìn)行求解，給出對(duì)比結(jié)果， 反映

4、設(shè)計(jì)變量如何影響天線的性能。它可以作為參數(shù)優(yōu)化的先行步驟，因?yàn)?它可以幫助你確定一個(gè)合理的變量?jī)?yōu)化區(qū)間。2、參數(shù)優(yōu)化( Optimization )：定義成本函數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化過(guò)程改變?cè)O(shè)計(jì)參 數(shù)的值來(lái)接近目標(biāo)。成本函數(shù)可以使任何 HFSS 的計(jì)算結(jié)果的組合，比如說(shuō)場(chǎng) 量、S參數(shù)和本征數(shù)據(jù)。3、參數(shù)敏感性( Sensitivity )：分析設(shè)計(jì)對(duì)微小的參數(shù)變化的敏感性，可用于公 差分析。4、統(tǒng)計(jì)( Statistical )：確定設(shè)計(jì)性能隨統(tǒng)計(jì)變量變化的分布特性。方形切角圓極化貼片天線的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)目標(biāo)：建立一個(gè)右手圓極化的方形切角貼片天線，工作頻率為 2.45GHZ ，調(diào)節(jié)貼 片天線及切角的大

5、小，對(duì)天線的軸比及駐波比進(jìn)行優(yōu)化。所建立的模型如下：圖1切角貼片天線的模型圖一、設(shè)計(jì)原理及基本公式：介質(zhì)基板的選取確定介質(zhì)的材料特性（相對(duì)介電常數(shù)r，損耗角正切值tan ）及厚度h。計(jì)算介質(zhì)內(nèi)波長(zhǎng)g貼片寬度近似為g/2其中g(shù) o/. e，0為自由空間波長(zhǎng)，e為有效介電常數(shù) 若r較小，可在建立模型過(guò)程中，先取貼片的寬度為° ，進(jìn)而再根據(jù)設(shè)計(jì)要求通過(guò)仿真調(diào)節(jié)來(lái)確定饋電探針位置通常取為Y軸中心半徑為0.5mm左右地板影響方向圖增益，大小至少為自由空間波長(zhǎng)的一半一、創(chuàng)建工程和運(yùn)行環(huán)境設(shè)定步驟1:將默認(rèn)長(zhǎng)度單位改成 mm，求解類型仍為 Driven Modal。二、創(chuàng)建模型步驟2:畫(huà)出兩個(gè)矩形

6、分別代表輻射貼片 patch和地板gnd，大小分別為32mm和90mm， 中間畫(huà)一高5mm的長(zhǎng)方體，長(zhǎng)寬為45mm表示介質(zhì)層sub，并設(shè)置相對(duì)介電常數(shù)為 3.38 的材料。繪制一個(gè)長(zhǎng)和寬為160mm，上地面和下地面分別為 75mm和-35mm的空氣腔 air作為求解區(qū)域。步驟3 :利用 、' 命令在貼片上畫(huà)出兩個(gè)三角形的切角cut。具體方法：首先在狀態(tài)欄中輸入三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)：X 0， Y 0， Z 5 ； X 5， Y 0， Z 5 ； X 0， Y 5， Z 5以形成三角形，并命名為 cut。選中cut，在右鍵菜單中選擇 Edit>Arrange>move ，選擇基準(zhǔn) 點(diǎn)坐

7、標(biāo)X 0， Y 0， Z 0 ;移動(dòng)坐標(biāo)dX -16 dY -16 dZ 0，將切角移至貼片的頂點(diǎn) 處。再次選擇cut在右鍵菜單中選擇 Edit>Duplicate>Around Axis，在彈出的對(duì)話框中把旋轉(zhuǎn)軸改為z軸，旋轉(zhuǎn)角為180，總個(gè)數(shù)為2個(gè)，確定之后就可得到第二個(gè)切角。同時(shí)選中貼片和兩個(gè)切角右鍵Edit>Boolean ，在彈出的對(duì)話框中的 Blank Parts列保留貼片而Tool Parts列保留兩個(gè)切角，點(diǎn)擊 OK。步驟4 :設(shè)置同軸饋電端口。在地板（0, 8， 0）的位置畫(huà)一半徑為 0.5mm高為5mm的圓柱表示饋電探針命名為pin，材料設(shè)為銅copper

8、。在地板上開(kāi)一半徑為1.5mm的饋點(diǎn)端口 port，此時(shí)注意用地板減去 port，并勾選Clone tool object before subtract 復(fù) 選框，這樣地板就被分成了兩部分，一部分是剪掉圓剩下的部分，另一部分是圓形激 勵(lì)端口 port。步驟5:添加邊界。給地板、貼片添加邊界perfect E ，空氣腔設(shè)置輻射邊界條件和遠(yuǎn)場(chǎng)條件。步驟6:添加激勵(lì)。選中port，添加阻抗50歐的Lumped Port，積分線自外向內(nèi)，由地 板指向探針。三、求解設(shè)置步驟7 :右鍵點(diǎn)擊Analysis節(jié)點(diǎn)添加求解項(xiàng)和掃頻設(shè)置（23GHz ）。掃頻類型：fast快速掃頻：適用于一定范圍內(nèi)的多個(gè)頻率點(diǎn)，

9、只對(duì)求解頻率進(jìn)行網(wǎng)格剖分 求出場(chǎng)解，并從該場(chǎng)解外推出設(shè)定范圍內(nèi)的場(chǎng)解。Discere離散掃頻：適用于頻率點(diǎn)較少的情況，對(duì)每一個(gè)頻率都進(jìn)行求解，耗費(fèi) 時(shí)間較長(zhǎng)。四、有效性驗(yàn)證和仿真步驟&點(diǎn)擊 蘭進(jìn)行有效性認(rèn)證，沒(méi)有錯(cuò)誤后我們就可以進(jìn)行仿真。五、輸出結(jié)果步驟9 :右鍵點(diǎn)擊工程樹(shù)的 Results節(jié)點(diǎn)添加電壓駐波比、軸比變化曲線。22 AUG5(/ . $l *E 1V'415:4322SbEq ?Hil圖2 VSWR隨頻率變化的曲線dEKAKiilRfltivViiluQg sobin ni20 ao10 o3 jb2.此2.»Fraq H:2 sbAne*Ti cwpw

10、M海n air421圖3軸比隨頻率變化的曲線在理論上，電壓駐波比達(dá)到1.0才能使天線與饋線達(dá)到最好的匹配，但在工程中這種理想的情況的是很難達(dá)到的，小于2的駐波比在工程中就可以接受，因此把VSWR<2的頻帶范圍稱為阻抗帶寬，同樣的道理，對(duì)于圓極化天線，小于3.0dB的軸比就可以滿足工程需要，我們仿真任務(wù)就是優(yōu)化天線的各個(gè)尺寸，以使所需頻帶范圍 或所需頻點(diǎn)的VSWR和軸比符合工程要求。六、設(shè)置變量與參數(shù)建模 步驟10 :把饋電點(diǎn)位置與原點(diǎn)的距離設(shè)為變量feed。在繪圖歷史樹(shù)中找到饋電探針fed和端口 out，在屬性窗口中將（0, 8，0）改成（0, feed，0），并設(shè)定feed的值為 8m

11、m。步驟11 :把貼片的邊長(zhǎng)設(shè)為變量 w,切角的直角邊長(zhǎng)設(shè)為變量I。即:修改貼片的起始坐 標(biāo)（-16，-16，5）為（w/2，w/2，5），大?。?2，32，0）為（w，w，0），其中 w為32mm。修改切角的第一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)為（ 0, 0, 5），第二個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)為（1, 0, 5） 第三點(diǎn)坐標(biāo)為（0，I，5），同時(shí)雙擊 Move，把Move vector改為（-w/2，-w/2 ,5 ）， 也就是保證切角的頂點(diǎn)與貼片的頂點(diǎn)重合。其他的尺寸，儲(chǔ)如地板邊長(zhǎng)，介質(zhì)板邊長(zhǎng)，空氣盒大小由于參數(shù)掃描中不需要用到，故此處不另設(shè)變量。所設(shè)置的變量可在屬性窗口中查看并進(jìn)行修改。七、創(chuàng)建參數(shù)分析并求解步驟11：在工程

12、樹(shù)Optimetrics節(jié)點(diǎn)點(diǎn)右鍵，選擇Add>Parametric 項(xiàng)，彈出Setup Sweep An alysis對(duì)話窗。點(diǎn)擊Add彈出變量掃描的編輯窗，選擇變量I，選擇Lin ear count，范圍46mm，step為1mm，點(diǎn)擊Add，則在右側(cè)窗口加入掃描變量及其設(shè)置；同樣方法 設(shè)置w的范圍為2931mm ，step為1mm，點(diǎn)擊OK完成。這時(shí)在Table標(biāo)簽頁(yè)可以瀏覽 所設(shè)置變量的所有組合。步驟12 :定義了變量，接下來(lái)要定義輸出變量，選擇Calculation標(biāo)簽頁(yè)，點(diǎn)擊Add，Solution 項(xiàng)取 Setup1 : Sweep1，選擇 Edit Calculation

13、 ，則彈出 Output Variables 對(duì)話 框在這里我們可以定義多個(gè)輸出變量。我們定義兩個(gè)輸出變量，一個(gè)是電壓駐波比VSWR，一個(gè)是軸比。在Name欄輸入變量名稱V，在框中選擇需要的表達(dá)式組合，點(diǎn)擊 In sert Qua ntity In to Expressio n，則在 Expressio n 欄添加表達(dá)式，點(diǎn)擊 Add，則在 對(duì)話框的頂部加入已經(jīng)定義變量及表達(dá)式。以此方法添加VSWR及軸比輸出變量。最后點(diǎn)擊Done退出設(shè)置，返回 Calculation標(biāo)簽頁(yè)。圖4輸出變量編輯對(duì)話窗步驟13 :點(diǎn)擊Solution為L(zhǎng)astAdaptive (2.45G )，輸出變量為vswr，

14、確定退出。再添 加一個(gè)求解輸出變量 ar，其Calculation Range為默認(rèn)的Theta = 0, phi = 0 , Fre = 2.45GHZ。我們也可以單擊Edit Calculation Range 選擇所需要的角度。這時(shí)工程樹(shù)中 新增了一個(gè)參數(shù)分析項(xiàng)，右鍵點(diǎn)擊選擇Analyze，對(duì)每組變量組合進(jìn)行求解。全部完成后，我們可以右鍵點(diǎn)擊選擇View An alysis Result ，查看結(jié)果。圖5參數(shù)掃描分析結(jié)果八、優(yōu)化求解步驟14:選擇優(yōu)化變量，從菜單選擇HFSS>DesignProperties，在彈出對(duì)話框選擇Optimization項(xiàng)，在Include 一列勾選w，

15、最小值為27mm，最大值為33mm，同時(shí)勾選 l，設(shè)定最小值為4.5mm，最大值為5.5mm，還可以點(diǎn)擊Advanee，規(guī)定最小間隔和最 大間隔，點(diǎn)確定完成。步驟15 :添加優(yōu)化設(shè)置，在工程樹(shù)的Optimetrics點(diǎn)擊右鍵，選擇 Add>Optimization 。在Optimizer 列選擇 Quasi Newton 項(xiàng)，Max.No.of Iterations 項(xiàng)為 1000，點(diǎn)擊 Add，則 在Cost Function 表中添加新的一行，Solution項(xiàng)取默認(rèn)的Setup1 : LastAdaptive，在Calculation 列選擇 AR變量，Condition 選擇 &

16、lt;=，設(shè)置 Goal 列為3， Weight 列為1， Acceptable Cost 項(xiàng)為 0.02，Noise 項(xiàng)為 0.0001 。再添加 v，Condition 選擇 <=，設(shè)置 Goal 列為1.8，Weight列為1。如圖所示：G* J I Mm LJklf | Owisr d | U «u | Qpllbx«|lu4ii lewtan * ii 川fiXCC->Tt聲anc-1talrf心 r lutr*Can£i 1右口心W禹*和靜ti屮d恪譏由頂測(cè)0珂肥At。柜WbflM楚ihiU ¥4t«毗（Met - Pf

17、eQ ifi4LT譽(yù)口加4t i幻4町DhicSiriflir時(shí) tt 2 45*1bi<L «LJihlvL 4!» h l |! L | 訂 -!,：”|SLiM 謝鼻曲4圖6優(yōu)化設(shè)置對(duì)話框步驟16 :工程樹(shù)Optimetrics節(jié)點(diǎn)下加入 OptimizationSetup 項(xiàng)，右鍵點(diǎn)擊選擇 Analyze 進(jìn)行仿真，右鍵再點(diǎn)擊該節(jié)點(diǎn)選擇View An alysis Results 可同時(shí)查看優(yōu)化過(guò)程。優(yōu)化過(guò)程完畢，信息窗口會(huì)提示以下兩種情況：Optimisation Anasi*： is don色-Solved |optinmurn satisfies acc

18、eptable cost limit.& Optimizaticn Analysis i£ done - AccepiaNe cost limit NOT jfltisfied. Reitaiting the optimization may resiJt in a beUer oplimum.提示一 表示優(yōu)化成功，即代價(jià)值cost達(dá)到了所設(shè)定的精度。提示二 表示優(yōu)化無(wú)法達(dá)到要求，要求重新設(shè)定代價(jià)值精度，或者選取代價(jià)值最小的變量值。這兩種情況在仿真中可以靈活應(yīng)用。九、輸出優(yōu)化后的結(jié)果步驟17 :加入反射系數(shù)、軸比和輻射方向圖等結(jié)果，和沒(méi)有優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行比較。26 "

19、a 2MKI賞=W RtJji m pf it 15jn5cdt IrcrprwionXY Hat 1 gnr.Vi- in2才IFr&q |GfrcT351 8 1 ':S=i£TDI* 5袖圖7優(yōu)化后的電壓駐波比£00400T-r-MOniieiT c orp>oau(HiiHFEWMI小晦18EIK2Q¥1 t£fwlRsliijVat Si=fljpT - -WAplMDJ.46*r162.fl243GHz :!Q-2.4GOPte¥1=3.01¥2-311i= 2.45CHI hO.42圖8優(yōu)化后的軸比

20、參數(shù)(RainTotalJ7.1e«-QQ& SrZZ&iege 2.聒汩皀胡甌 I3.!i0e 981-1,595*30-a.aa&ae*ii0£ -6.3!3Ha*30e-e.Aiue*nae 1尼開(kāi)酗帽nii.£95Se01-l.£2-3ae*fi0'i -1 75BH6HHH1-1.7?7b*001-2.6595«*3£11-ZPB363ei001圖9優(yōu)化后的3D方向圖Jsur-f CA/nl圖10貼片上的電流分布S. 6516i+001 5.0220t+D0L4. bysse+ytii365e

21、+0Ql *t.fl35Be+B0L5. 70T16+0GLS, ； 763c+目01 3,64965+0012. ?299?+0©1 J, -Q?1p+0RI 2.C634t+0CL1. 73*78+001 1. L059f+061 l,E772t+001.7,叨MU+BB0M. 1盯"00 h, loest-m注：1、優(yōu)化不是一個(gè)萬(wàn)能的工具，優(yōu)化設(shè)置不合理不僅得不到正確的結(jié)果還是非常 耗時(shí)的過(guò)程，我們必須事先利用參數(shù)掃描確定一個(gè)足夠小的范圍內(nèi)，讓優(yōu)化過(guò)程很好 的收斂于全局最優(yōu)解。如果不進(jìn)行參數(shù)的掃描，而直接進(jìn)行優(yōu)化，則每次優(yōu)化的結(jié)果 可能僅僅是局部極值。2、能不能成功找

22、到最優(yōu)解與我們的設(shè)置密切相關(guān)，總的來(lái)說(shuō)限制越多要求越高 優(yōu)化結(jié)果就越難得到，比如變量的最小間隔過(guò)大，沒(méi)有足夠多的點(diǎn)作為最優(yōu)選擇，變 量間隔設(shè)置過(guò)小，優(yōu)化的過(guò)程變得漫長(zhǎng)且最后得到的結(jié)果無(wú)法實(shí)現(xiàn)。初始點(diǎn)的設(shè)置盡 量接近參數(shù)掃描的最優(yōu)點(diǎn)，否則也可能得不到最優(yōu)解。3、優(yōu)化的過(guò)程也可以用參數(shù)掃描多次迭代實(shí)現(xiàn)。陣列天線的分析建立陣列天線的單元模型并仿真，為HFSS提供單元因子的參數(shù)，然后通過(guò)天線陣列的設(shè)置確定陣因子，然后通過(guò)方向圖乘積原理，HFSS可以給出理想的陣列天線的輻射參數(shù)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只要知道單元的情況，通過(guò)方向圖乘積定理可以直 接得到陣列的結(jié)果。一、仿真單個(gè)對(duì)稱振子，得到方向圖如下2 5曲畦遞e -1 ZECFIl -1 T'MSe-47 Z枷中興 -1 B剛E應(yīng)I -i i'+sst-wt -1 E詢缸應(yīng)I -1 H7W 孔 I -£.l$2e*oai 乜4剜El歡！ -i 5/Sue SKI -* 21(-Ml-S 4-rS7e-*0Gl -? 105 4001 峠 gni'lf-Wl二、創(chuàng)建二元陣列，饋電相位分別為0度，90度步驟1 :右鍵點(diǎn)擊工程樹(shù)中的Radiation節(jié)點(diǎn)