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Comparación de la simulación HFSS y CST de una antena de parche

Fecha de lanzamiento: 2021-12-28Fuente del autor: KinghelmVistas: 1105

Learn Antenna es una columna de tecnología de antenas de carga seca que se centra en la simulación y depuración de antenas, complementada con principios teóricos, incluida la introducción a la antena, la introducción de principios de varias antenas, el modelado, el diseño, el proceso de depuración y las ideas del software de simulación. Si quieres ver el contenido o problemas técnicos, puedes escribir un mensaje al final del texto.



01 、 Breve introducción


     
En la actualidad, los algoritmos de solución integrados en HFSS incluyen: algoritmo de elementos finitos (FEM), algoritmo de ecuación integral (es decir), algoritmo de alta frecuencia (SBR + Solver), algoritmo híbrido (febi, es decir, región), algoritmo de descomposición de dominio (DDM , fa-ddm), algoritmo de dominio del tiempo (transitorio), algoritmo de modo propio (CMA), solucionador de modo propio, etc.
https://zhuanlan.zhihu.com/p/113897875  

De hecho, la mayoría de la gente simula antenas y filtros simples. Utilizando el algoritmo de elementos finitos de HFSS y la tecnología de encriptación y generación de malla adaptativa del propio software, configurar el Max MAG delta S convergente (predeterminado 0.02) es suficiente para cumplir con sus requisitos de simulación.



El uso de software y la configuración de otros solucionadores de algoritmos no se describirán aquí.

Cuando la mayoría de los ingenieros utilizan el software HFSS, encontrarán que tiene altos requisitos para la configuración de la computadora, especialmente la memoria. Además, es difícil cumplir con la potencia computacional de los requisitos de simulación de tamaño eléctricamente grande y UWB.

CST simplemente compensa el tamaño corto de la simulación HFSS UWB, pero su precisión de simulación en estructuras de tamaño pequeño, circulares y de otro tipo no es alta. Como se muestra en la figura siguiente, la generación de malla triangular de HFSS es particularmente delicada en el borde, especialmente los accesorios de estructura circular, mientras que la generación de malla hexaédrica de CST es demasiado regular.



Aunque la malla local de CST se puede usar para cifrar la malla local cerca de estructuras como espacios y círculos, los principiantes aún pueden ser tontos con la subdivisión adaptativa de HFSS, que es más humanizada.

El software CST utiliza el algoritmo de simulación de campo electromagnético en el dominio del tiempo de onda completa: método integral finito (FIT) para discretizar y resolver de forma iterativa la ecuación integral de Maxwell. Debido al ajuste del algoritmo en el dominio del tiempo, solo es necesario resolverlo paso a paso sin inversión de matrices. Esta característica inherente determina que su estructura de simulación adecuada cubra pequeñas, medianas y grandes, y pueda lograr un buen rendimiento. La cantidad de cálculo del método del momento volumétrico, el método de los elementos finitos y el método de integración finita (reflejados en el tiempo de CPU y la memoria requerida) es respectivamente proporcional a la 3.ª, 2.ª y 1.1 ~ 1.2.ª potencia del número de rejillas n. Se puede ver que los requisitos de fuerza computacional del método de integración finita son menores que los del método de elementos finitos HFSS.

Para el software CST, también se utiliza comúnmente el solucionador de dominio del tiempo. Además, también cuenta con solucionador de dominio de frecuencia, solucionador de modo propio, método de ecuación integral, cálculo asintótico y algoritmo de medio multicapa.



En la siguiente sección, compararemos la precisión de la simulación de los dos software, centrándonos principalmente en la simulación de cifrado de generación automática de malla FEM + de HFSS y el solucionador en el dominio del tiempo y el solucionador en el dominio de la frecuencia de CST.


0 2Construcción de guión de antena de parche retroalimentada.

     

Los métodos de alimentación comunes de la antena de parche rectangular incluyen alimentación lateral y alimentación trasera. Este tweet utiliza retroalimentación para el análisis de simulación.





En primer lugar, se selecciona Rogers 4350b con un espesor de sustrato de 0.762 mm y una frecuencia de resonancia de 5.8 GHz. (desliza hacia la izquierda y hacia la derecha para ver la fórmula completa)

Según la fórmula anterior, el ancho y el largo de la antena de parche son 16.9 mm y 13.3 mm respectivamente.


Después de los dos últimos tweets, la primera viñeta de la introducción de hfss-api: dibujar un cuadro y la segunda viñeta de la introducción de hfss-api: forma y funcionamiento básicos, ahora puede implementar directamente el script HFSS vbs de una antena de parche retroalimentada ( consulte el final del texto para ver el enlace de descarga, en la carpeta de ejemplos):


clear;clc;ruta = mfilename('ruta completa');i=strfind(ruta,'');ruta=ruta(1:i(end));cd(ruta);addpath(genpath(strcat(ruta,'hfssapi -by-Jianhui Huang')));pruebe % 填写路径 % tmpPrjFile:生成的aedt或者hfss(安装hfss15以下的后缀名为.hfss)项目文件的路径名 % tmp ScriptFile: 生成的vbs脚本文件的路径名 tmpPrjFile = 'F:vbsScriptPatch_Probe_Feed.aedt'; tmpScriptFile = 'F:vbsScriptauto_code.vbs'; % hfssExePath:HFSS软件的路径 hfssExePath = 'D:softwareHFSS15AnsysEM18.2Win64ansysedt.exe'; % 创建一个可读写vbs脚本文件.  fid = fopen(tmpScriptFile, 'wt'); %创建一个新的HFSS项目并[敏感词]一个新的设计文件.  hfssNewProject(fid); Design_name='elemento'; hfssInsertDesign(fid, nombre_diseño); Parche_W=16.9; Parche_L=13.3; Sub_W=35;Sub_L=30;Sub_H=0.762;cobre_H=0.035; Sonda_dy=-4;Sonda_dx=0; Inner_R=0.5;Diel_R=exp(50/60*sqrt(1))*Inner_R;Outer_R=1.5;L0=2; % hfssVariableInsert(fid,DesignName,variableName, valor, unidades,bandera) hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Patch_W', Patch_W, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Patch_L', Patch_L, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Sub_W', Sub_W, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,nombre_diseño,'Sub_L', Sub_L, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Sub_H', Sub_H, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,nombre_diseño,'cobre_H', cobre_H, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Probe_dx', Probe_dx, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Probe_dy', Probe_dy, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,nombre_diseño,'L0', L0, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Inner_R', Inner_R, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Diel_R', 'exp(50/60*sqrt(1))*Inner_R', 'mm',2); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Outer_R', Outer_R, 'mm',1); % 画基板 % hfssBox(fid, BoxName, Inicio, Tamaño, Unidades, Color, Material, Transparencia, bandera) hfssBox(fid, 'Sub1', {'-Sub_W/2', '-Sub_L/2', '0mm' }, {'Sub_W', 'Sub_L', 'Sub_H'}, 'mm',...  "(0 128 128)", "Rogers RO4350 (tm)", 0, 2); % Archivo hfssBox(fid, 'Patch', {'-Patch_W/2', '-Patch_L/2', 'Sub_H'}, {'Patch_W', 'Patch_L', 'copper_H'}, 'mm', ...  "(255 128 0)", "cobre", 0, 2); % 画GND hfssBox(fid, 'GND', {'-Sub_W/2', '-Sub_L/2', '0mm'}, {'Sub_W', 'Sub_L', '-copper_H'}, 'mm', ...  "(128 128 128)", "cobre", 0, 2); % 画同轴部分 % 画同轴内芯 % hfssCylinder(fid, Nombre del cilindro, Eje, Centro, Radio, Altura, Unidades, Color, Material, Transparencia, bandera) hfssCylinder(fid, 'Inner', 'Z', {' Probe_dx', 'Probe_dy', 'Sub_H+cobre_H'}, 'Inner_R','-(Sub_H+cobre_H*2+L0)', 'mm',...  "(128 128 128)", "cobre", 0, 2); hfssCylinder(fid, 'Diel', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '-copper_H'}, 'Diel_R','-L0', 'mm',...  "(0 128 128)", "vacío", 0, 2); hfssCylinder(fid, 'Exterior', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '-copper_H'}, 'Outer_R','-L0', 'mm',...  "(128 128 128)", "cobre", 0, 2); % 地板开过孔 hfssCylinder(fid, 'GND_hole', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '0mm'}, 'Diel_R','-copper_H', 'mm',...  "(255 128 0)", "vacío", 0, 2); % 布尔操作 hfssSubtract(fid, {'Outer'}, {'Diel'}, true); hfssSubtract(fid, {'Sub1','Patch','Diel'}, {'Inner'}, verdadero); hfssSubtract(fid, {'GND'}, {'GND_hole'}, falso); % 保存项目文件到指定路径 hfssSaveProject(fid, tmpPrjFile,1); % Cierre el archivo de secuencia de comandos HFSS. 


El código anterior modifica las rutas tmpprjfile, tmpscriptfile, hfssexepath y design de acuerdo con la situación individual_ Nombre, el script vbs generado por MATLAB El archivo m y el hfssapi descargado por Jianhui Huang se colocan en la misma carpeta general. Haga clic en Ejecutar para generar el script vbs (en la ruta del archivo tmpscript autoasignado). El script Vbs se puede ejecutar directamente o ejecutar el script en el software HFSS.

Una vez completado el modelado, agregue la región usted mismo, establezca las condiciones de límite de radiación y la configuración del análisis, y luego se podrá realizar la simulación (después de sincronizar el límite y el análisis posteriores, se pueden establecer en el script).


Análisis设置


En este momento, se puede ver en los resultados de la simulación que la frecuencia resonante de la antena está polarizada a baja frecuencia y la impedancia de entrada se desvía de 50 ohmios.



En este momento alguien dirá que ajustar la antena es metafísica. ¿Cómo puedo saber qué variables ajustar y cuántas variables ajustar? ¿Puedo utilizar directamente la optimización? De hecho, aquellos que han entendido los principios relevantes de la antena de parche saben que en este momento, sólo necesitan ajustar la longitud de la antena y la posición de desviación de la alimentación desde el centro. El primero afecta la frecuencia de resonancia y el segundo afecta la adaptación de la antena.

En la figura anterior se puede ver que la adaptación de impedancia es mejor cuando el punto de alimentación está a 2.5 mm del centro de la antena de parche.




Sin embargo, en este momento, la frecuencia de resonancia de la antena todavía está polarizada a la baja frecuencia de 5.6 GHz, por lo que la configuración de la antena de parche retroalimentada de 5.8 GHz se puede completar acortando adecuadamente la longitud de la antena.



矩形贴片天线长度扫参结果


  


0 3Comparación de los resultados de la simulación CST y HFSS   

     

Seleccione modelador -> exportar en la barra de menú encima de HFSS y guárdelo en formato de pasos.

Luego abra CST, seleccione e importe el archivo del paso anterior en Exportar, elimine modelos irrelevantes como la región y establezca las propiedades del material y las condiciones de contorno.

Usando el solucionador de dominio de tiempo y la configuración de generación de malla predeterminada, la frecuencia de resonancia simulada es 5.759 ghz, que es 40 MHz diferente de los resultados de la simulación HFSS.


Propiedades de malla en el dominio del tiempo de CST y resultados de S11


El solucionador del modelo anterior se cambia directamente al solucionador del dominio de frecuencia y la división de la cuadrícula se establece de acuerdo con la figura siguiente. La frecuencia de resonancia simulada es de 5.825 ghz, que es aproximadamente 25 MHz diferente del resultado de la simulación HFSS, que está muy cerca.



Propiedades de malla de dominio de frecuencia CST y resultados de S11





En general, los resultados de la simulación de una antena de parche de microcinta eléctricamente pequeña bajo la simulación de cifrado de generación de malla automática FEM + de HFSS y el solucionador de dominio de tiempo y frecuencia de CST son aceptables. Después de todo, el diseño de antenas pertenece a la categoría de ingeniería. De hecho, se deben considerar las tolerancias de procesamiento y soldadura, por lo que aún es necesario tocar la PCB varias veces para realizar análisis de prueba, depuración y optimización. No hay importancia para hacer una diferencia de simulación rígida.


Se necesita mucho tiempo y energía para escribir código básico y hacer comentarios. ¡Espero que te guste compartir más!


Área de código compartido

hfssapi-por-Jianhui Huang

Enlace de descarga (el código de seguimiento se actualiza continuamente en el siguiente enlace):

https://pan.baidu.com/s/1N0EE3Uv7krkypfzi9vxCvg

Código de extracción: o5p5

El código ha sido encapsulado y empaquetado como un archivo ap, que no se puede modificar. ¡Cada vez que lo descargas y lo sobrescribes, puedes intercambiarlo según los comentarios de la función!



Nota: MATLAB genera el script vbs. Jianhui Huang coloca el archivo m en la misma carpeta general que hfssapi. ¡No ejecute el archivo M en la carpeta de ejemplos!



La marca "kinghelm" fue registrada originalmente por la empresa golden beacon. Golden beacon es un fabricante de venta directa de antenas GPS y antenas Beidou. Tiene una gran popularidad y reputación en la industria de posicionamiento y navegación GPS de Beidou. Los productos de I+D y producción se utilizan ampliamente en navegación y posicionamiento por satélite BDS, comunicación inalámbrica y otros campos. Los principales productos incluyen: red rj45-rj45, conector de interfaz de red, adaptador de conector RF, conector de cable coaxial, conector tipo C, interfaz HDMI, interfaz tipo C, pin y bus, SMA, FPC, conector de antena FFC, transmisión de señal de antena conector impermeable, interfaz HDMI, USB Conector, línea terminal, terminal de tablero de terminales, regleta de terminales, etiqueta RF RFID, antena de navegación de posicionamiento, cable de conexión de antena de comunicación, antena de varilla de goma, antena de ventosa, Antena 433, antena 4G, antena de módulo GPS, etc. Es ampliamente utilizado en la industria aeroespacial, de comunicaciones, militar, de instrumentación, de seguridad, médica y otras industrias.


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