应用ANSOFT HFSS对曲面结构贴片天线的模拟

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=1.2λ0

h=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。如图4.1.5和4.1.6所示。

图4.1.5 V alidation栏

图4.1.6程序运行过程中

5.计算结果的察看和处理。

a.锥形结构体的RCS曲线如图4.1.7(σθθ)和图4.1.8(σφφ)所示。

图4.1.7柱锥结构体的双站RCS(σθθ)

图4.1.8 柱锥结构体的双站RCS(σφφ)

b. 柱锥结构体上表面的贴片电流分布如图4.1.9和图4.1.10所示。

图4.1.9 φ极化的入射波时的贴片表面电流分布图4.1.10 θ极化的入射波时的贴片表面电流分布

4.2 HFSS对球形圆贴片天线的RCS的计算

球形圆贴片天线的几何结构如图4.2.1所示，球体的内部为理想导体，外部球层是介电常数为2.2的电介质，贴片的位置如图所示以Z轴为中心，其工作频率为f=7GHz。

图4.2.1 球形贴片天线的几何外形

球形贴片天线的几何尺寸如下所示：

a=30 mm

b=3.7874 mm

h=0.7874 mm

r=7.1 mm

d

=13.18°

介质衬底的介电常数为εr=2.2 。入射波为沿-Z方向的平面波。

下面为用HFSS 9.0对此球形圆贴片天线的详细模拟过程：

1.运行HFSS 9.0 ，新建项目,并将其名称保存为”球形圆贴片”。下一步，使用命Project>Insert

HFSS Design进入模型建立及其后序求解界面如图4.2.2所示.下面用命令HFSS>Solution Type设定求解方式,如图4.2.3所示。

图4.2.2 图4.2.3

弹出Solution Type栏，如图4.2.4所示。这里为微波高频求解选择求解方式为Driven Model.接下来用命令3D Modeler>Units 设定模型尺寸，弹出Set Model Units对话框，如图4.2.5所示，选择单位mm。

图4.2.4 图4.2.5

下面的部分详细列出画三维几何模型的过程

a. 衬底(sub)及内导体(in_metal)的画法：

使用Draw命令画出半径为30mm的球体,弹出如图4.2.6所示的球体属性的对话框Properties栏。

图4.2.6

点击Attribute项在Name栏中输入in_metal作为内导体,如图4.2.7所示。

图4.2.7

与画内导体相似，画出半径为30.7874的球，弹出如图4.2.8所示的Properties

栏。点选Attribute项，在Name栏中填入sub作为衬底如图4.2.9所示。

图4.2.8 图4.2.9

在点选vacuum项弹出Select Definition栏如图4.2.10所示.通过查找得到相对介电常数为2.2的介质，选中其中满足要求的介质即可。选中Rogers RT/duroid 5880(tm)。

图4.2.10

但由于衬底只是整个球体的一部分，并且HFSS中不允许有材料在几何模型中相交，所以需要将衬底中内导体部分去掉而又要保留现有的内导体，采用下面的方法来实现，首先将内导体复制一下产生两个内导体球，具体使用Edit>Select>Select by name 命令，弹出Select Object栏如图4.2.11所示。

图4.2.11 图4.2.12

选择in_metal并点击ok按钮，再使用命令Edit>Copy和Edit>Plaste命令完成内导体的复制，HFSS自动间复制的内导体命名为in_metal1，与上面相似使用Edit>Select>Select by name 命令，同时选择sub和in_metal1两个物体在使用命令3D Modeler>Boolean>Subtract弹出Subtract栏如图4.2.12所示。

Blank栏中为sub，Tool Parts栏中为in_metal1，其余设定如图4.2.12所示点击OK按钮，完成衬底的模型的建立。

b. 下面开始画出圆形的贴片，由于HFSS中的Draw工具并不能直接画出所要求的贴在球

表面的圆形贴片，所以只能通过旋转弧线由其扫过的部分得到所要的圆形贴片，这是由Draw中的Sweep命令来实现的.先选择在XZ平面内三点画弧线法以原点为圆心以

30.7874mm为半径画出弧段,其中使用球坐标使其转过的角度为θ0=13.18°，画好的弧

线如图4.2.13所示。

选择所画出的弧线用Draw>Sweep>Around Axis命令，弹出Sweep Around Axis对话框，旋转轴选为Z轴，旋转度数选为360度，如图4.2.14所示，点击ok。

图4.2.14

这样就画好了球衬底表面上的圆形贴片，在贴片的属性栏中将其命名为patch，画好后的整体模型如图4.2.15所示。

图4.2.13 图4.2.15

2.设定边界条件及激励源

a.由于金属贴片的厚度很薄，且其对计算的结果影响较小，故HFSS中不用设定其厚度。

选择贴片(patch)，用Hfss>Boundaries>Assign>PerfE命令，弹出如图4.2.16所示的Perfect

E Boundary栏，将其命名为PerfE_patch,点击OK。

图4.2.16

设定贴片为理想导体。设定好的贴片如图4.2.17所示。

图4.2.17 图4.2.18

与此相似，设定内导体也为理想导体命名为PerfE_in_metal，设定好后如图4.2.18所示。

b. 下面来设定辐射边界条件，由于HFSS要求辐射边界条件需要离模型体至少要0.25λ0

远的距离，因此以圆心为中心作出边长为100mm的立方体完全满足解的要求，作好的立方体命名为boundary,如图4.2.19所示。

图4.2.19 图4.2.21 选择立方体boundary，使用Hfss>Boundaries>Assign>Radiation命令设定其为辐射边界条件，弹出Radiation Boundary栏，如图4.2.20所示.点击OK按钮。

图4.2.20

设定好的辐射边界条件如图4.2.21所示。

c.对于激励源的设定,由于这里所要求解的是散射场，故激励源为平面入射波,方向为沿-Z

方向。使用HFSS>Excitation>Assign>Incident Wave命令，弹出Incident Wave Source 栏，如图4.2.22所示。

图4.2.22 图4.2.23

选择specrial项，点击”下一步”，出现入射波方向设定栏如图4.2.23所示。

设定入射波phi为0deg,theta为0deg极化方向为phi方向，点击”完成”按钮。完成激励源入射波的设定，如图4.2.24所示。

图4.2.24

3.建立求解的细节，使用命令HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup 弹出Solution Setup

栏，solution为7GHz，Maximum Number of Passes为5，Maximum Delta E为0.1，如图

4.2.25所示。

图4.2.25 图4.2.26 与辐射边界条件相对应，该设定远区辐射场，使用命令HFSS>Radiation>Insert far field Setup >Infinite sphere，弹出如图4.2.26所示的Far Field Radiation Sphere Setup栏，theta和phi均为0度到360度,步进为1度。

使用用命令HFSS>Validation Check对模型进行检验，如图4.2.27所示。

图4.2.27

检验模型没有错后，对模型进行模拟求解，使用命令HFSS>Analyze，对模型求解，如图

4.2.28所示。

图4.2.28

4. 求解运算后，使用命令HFSS>Results>Solution Data，弹出Solution Data 栏，点击

convergence项下的plot，可以看到求解的收敛曲线，如图4.2.29所示。

图4.2.29

使用HFSS>Results>Create Report 命令，弹出Cretat Report栏，在Report Type栏中选择

Far Field 项，Dislay Type栏中选择Rectangular Plot项，如图4.2.30所示。

图4.2.30

点击OK，弹出Traces栏，在Y项中，Category选为RCS，Quantity选为RCSphi，Function 选为dBm如图4.2.31所示。

图4.2.31 图4.2.32

在X项中勾选Use Primary Sweep。

在sweeps项中点选Use current Design and Project variable，并且在第一栏中的Name项为Theta，Type项为Primary Sweep，Description项为All V alues，第二栏中Name为phi，Type 项为Piont(s)，Description项为0deg，如图4.2.32所示。

点击Add Traces按钮，在点击Done按钮，生成如图4.2.33所示的RCS(φφ)曲线。

图4.2.33

选择贴片，使用命令HFSS>Fields>Plot Fields>Mag_Jsurf，弹出Create Field Plot栏，如图4.2.34所示，点击Done按钮，产生贴片表面电流的模拟，如图4.2.35 所示。

图4.2.34

相似的方法可以得到θ极化时的RCS(θθ)曲线，如图4.2.36和θ极化时的表面电流分布，如图4.2.37所示。

图4.2.36

图4.2.35 φ极化时的表面电流图4.2.37 θ极化时的表面电流

4.3 HFSS对柱形体贴片阵列的模拟

所求的柱形体衬底贴片阵列为8×1阵列，几何模型的具体尺寸如图4.3.1所示，其中内导体为理想导体，衬底为介电常数为2.0的电介质，厚度为0.1λ0。

图4.3.1 柱形体贴片阵列的几何模型

图4.3.1中的几何体各参数如下所示：

Ф0=67.5°

b =2λ0/π

t=0.1λ0

h=4.25λ0

Dφ=Dz=d=0.25λ0

厚为h的衬底的介质的介电常数为εr=2.0。贴片阵列的工作频率为f=5GHz，则相对应的工作波长为λ0=60 mm。该柱形体贴片阵列的激励源为沿-X方向的平面入射波。下面为用HFSS对该结构体模拟的全过程：

选定求解方式为(Solution Type)Driven modal。

1.建立柱形体贴片阵列的三维几何模型.

a. 在XOZ平面内画出柱形体贴片的截面图为矩形,然后应用sweep命令向顺时针和逆时针

两方向分别旋转33.75度可以画出该柱形体的衬底及内导体的几何模型,具体细节这里不在赘述。

b.下面详细介绍一下贴片阵列的画法。

按图4.1中的坐标系在XOZ平面和衬底外表面的交线上距XOY平面λ0/8处沿+Z方向依次画出长度为0.25λ0，间距为0.25λ0的线段4段,如图4.3.2所示。

图4.3.2 贴片与衬底外表面在XOZ平面的交线图4.3.3 Z>0部分的贴片

分别将图4.3.2中的4段线段绕Z轴向顺时针和逆时针方向旋转可得到所要求得的贴片，如图4.3.3所示。

选中图4.3.3中所画的4个贴片,将这4个贴片沿XOY平面作一镜像的到所要的8×1贴片阵列。这样就画好了柱形体贴片阵列的几何模型,如图4.3.4所示。

2. 对画好的几何体模型填充相应的材料。

选中衬底部分将其中填充介电常数为εr=2.0的介质材料。

3. 设定模型的边界条件及激励源。

图4.3.4 柱形体贴片的几何体模型图4.3.5 辐射边界条件的设定

a. 选中柱形体的内导体部分,将其设定为理想导体(PerfE)。

b. 选中贴片阵列中的所有贴片,设定它们为理想导体(PerfE)。

c. 作X×Y×Z=120 mm×120 mm×320 mm的长方体,设定其为辐射边界条件(Radiation

Boundary)，如图4.3.5所示。

d.该模型的激励源为沿-X轴方向的平面入射波，设定后如图4.3.6所示。

图4.3.6 平面入射波的设定

4. 设定求解细节,并运行求解。

a. 设定求解频率为f=5GHz ,详细的设定如图4.3.7所示。

图4.3.7 工作频率及其它细节的设定图4.3.8 远区场求解的设定

b. 设定远区辐射场的求解(Far Field Radiation Sphere 栏的设定)，如图4.3.8所示。

c. 使用Validation check命令进行检验,无错误发生,接下来运行命令Analyze,对柱形

体贴片进行求解。

5. 结果曲线及相应参数的提取。

a. 入射波为沿-X方向的平面入射波时,双站RCS(σφφ)曲线，如图4.3.9所示。

b. 入射波为沿-X方向的平面入射波时,双站RCS(σθθ)曲线，如图4.3.10所示。

图4.3.9双站RCS(σφφ) (dB) 图4.3.10 双站RCS(σθθ) (dB)

4.4 HFSS对覆盖8×8贴片阵列的介质柱的RCS的计算

所求解的8×8贴片阵列的介质柱的几何模型如图4.4.1所示，其中内圆柱为理想导体，理想导体的外层为介质衬底，贴片均匀分布在衬底柱的侧面，具体参数如图4.4.1（a）所示，

其中：

f=5GHz

λ0=60mm

Ф0=45°

b =2λ0/π=38.2165mm

t=0.1λ0=6mm

h=4.25λ0=255mm

Dφ=Dz=d=0.25λ0=15mm

图4.3.1

将(a)图绕Z轴依次旋转45度，90度，135度，180度，225度，270度，315度，并将旋转后得到的几何体组合起来就得到图4.4.1中(b)所示的柱形体.其中衬底基片的介电常数为2.0。

用HFSS 9.0对柱形贴片阵列的模拟详细步骤如下：

1.用HFSS的Draw工具对该柱形贴片阵列三维几何模型的建立。由于该天线为对称结构，

故可以先画出图4.4.1中(a)，再进行旋转，组合而得到所要的几何模型(b)。

运行HFSS 9.0，新建工程为Project1，将其保存名称为”full cylinder patch”的项目。使用命令Project>Insert HFSS Design进入模型建立及其后序求解界面，接下来使用HFSS> Solution Type设定求解方式，弹出Solution Type栏，如图4.4.2所示。这里为微波高频求解选择求解方式为Driven Model。

图4.4.2

接下来用命令3D Modeler>Units 设定模型尺寸，弹出Set Model Units对话框，如图4.4.3

所示，选择单位mm。

图4.4.3

下面的部分详细列出画三维几何模型的过程：

a.画出衬底(sub)及内导体(in_metal)

在XOZ平面内，以原点为一个顶点,画出X×Z=38.2165mm×127.5mm的矩形，弹出

如图4.4.4所示的Properties栏。

图4.4.4 图4.4.5

点击Attribute项，在Name栏中输入Rec1作为其名称如图4.4.5所示。

由于所画的几何体尺寸较大，会超过屏幕范围可用命令CTRL+D使所画的几何模型大

小在屏幕之内.画好的矩形如图4.4.6所示。

图4.4.6 图4.4.7

选择矩形Rec1，使用Draw>Sweep>Around Axis命令，弹出Sweep Around Axis栏，点选Z轴，旋转角度为22.5度，如图4.4.7所示。

点击OK，得到如图4.4.8所示的柱形体的一部分。

图4.4.8 图4.4.9

选择所作出的柱形体部分，使用命令Edit>Copy和命令Edit>Plaste,产生同样的柱形体部分，名称为Rec2如图4.4.9所示。

打开名称为Rec2的柱形体部分的Properties栏，将X size修改为32.2165mm，作为内导体，如图4.4.10所示。

图4.4.10

在Attribute栏中将Rec2改为in_metal作为内导体，如图4.4.11所示。

.

图4.4.11

使用命令Edit>Copy和命令Edit>Plaste将in_metal复制一份，其名称为in_metal1，使用Edit>Select>Select by name 命令，弹出Select Object栏如图4.4.12所示的Select Object栏.点选Rec1和in_metal1，点击OK。

图4.4.12 图4.4.13

使用命令3D Modeler>Boolean>Subtract，弹出Subtract栏，如图4.4.13所示。

其中Blank栏中为Rec1，Tool Parts栏中为in_metal1，点击OK按钮。打开柱形体Rec1的Properties栏，在Name栏中输入sub作为衬底的名称，点选vacuum项，弹出如图4.4.14所示的Select Definition栏。

图4.4.14