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Vergleich der HFSS- und CST-Simulation einer Patchantenne

Erscheinungsdatum: 2021Quelle des Autors: KinghelmAufrufe: 1150

Learn Antenna ist eine Kolumne zur Trockenfracht-Antennentechnologie mit Schwerpunkt auf Antennensimulation und Debugging, ergänzt durch theoretische Grundlagen, einschließlich Einführung in die Antenne, prinzipielle Einführung verschiedener Antennen, Modellierung von Simulationssoftware, Design, Debugging-Prozess und Ideen. Wenn Sie den Inhalt oder technische Probleme sehen möchten, können Sie am Ende des Textes eine Nachricht schreiben.



01、Kurze Einführung


     
Derzeit umfassen die integrierten Lösungsalgorithmen in HFSS: Finite-Elemente-Algorithmus (FEM), Integralgleichungsalgorithmus (dh), Hochfrequenzalgorithmus (SBR + Solver), Hybridalgorithmus (febi, dh Region), Domänenzerlegungsalgorithmus (DDM). , fa-ddm), Zeitbereichsalgorithmus (transient), Eigenmodusalgorithmus (CMA), Eigenmoduslöser usw
https://zhuanlan.zhihu.com/p/113897875  

Tatsächlich simulieren die meisten Leute einfache Antennen und Filter. Unter Verwendung des Finite-Elemente-Algorithmus von HFSS und der adaptiven Mesh-Generierungs- und Verschlüsselungstechnologie der Software selbst reicht die Einstellung des konvergenten Max MAG Delta S (Standard 0.02) aus, um ihre Simulationsanforderungen zu erfüllen.



Der Einsatz von Software und die Einstellung anderer Algorithmenlöser wird hier nicht beschrieben.

Wenn die meisten Ingenieure HFSS-Software verwenden, werden sie feststellen, dass diese hohe Anforderungen an die Computerkonfiguration, insbesondere an den Speicher, stellt. Darüber hinaus ist es schwierig, die Rechenleistung der Simulationsanforderungen für elektrische Großformate und UWB zu erfüllen.

CST gleicht nur den kurzen Vorsprung der HFSS-Simulation UWB aus, aber seine Simulationsgenauigkeit bei kleinen, kreisförmigen und anderen Strukturen ist nicht hoch. Wie in der Abbildung unten gezeigt, ist die dreieckige Netzgenerierung von HFSS am Rand besonders empfindlich, insbesondere an den kreisförmigen Strukturzusätzen, während die hexaedrische Netzgenerierung von CST zu regelmäßig ist.



Obwohl das lokale Netz von CST zum Verschlüsseln des lokalen Netzes in der Nähe von Strukturen wie Lücken und Kreisen verwendet werden kann, können Anfänger immer noch die adaptive Unterteilung von HFSS zum Narren halten, die humanisierter ist.

Die CST-Software verwendet den Vollwellen-Zeitbereichssimulationsalgorithmus des elektromagnetischen Feldes – die Finite-Integral-Methode (FIT), um die Maxwell-Integralgleichung zu diskretisieren und iterativ zu lösen. Aufgrund der Anpassung des Zeitbereichsalgorithmus muss dieser nur Schritt für Schritt ohne Matrixinversion gelöst werden. Diese inhärenten Eigenschaften bestimmen, dass die geeignete Simulationsstruktur kleine, mittlere und große Bereiche abdeckt und eine gute Leistung erzielen kann. Der Berechnungsbetrag der Volumenmomentmethode, der Finite-Elemente-Methode und der Finite-Integration-Methode (spiegelt sich in der CPU-Zeit und dem erforderlichen Speicher wider) ist jeweils proportional zur 3., 2. und 1.1 ~ 1.2. Potenz der Anzahl der Gitter n. Es ist ersichtlich, dass die Anforderungen an die Rechenkraft der Finite-Integration-Methode geringer sind als die der HFSS-Finite-Elemente-Methode.

Für CST-Software wird häufig auch der Zeitbereichslöser verwendet. Darüber hinaus verfügt es über einen Frequenzbereichslöser, einen Eigenmoduslöser, eine Integralgleichungsmethode, eine asymptotische Berechnung und einen mehrschichtigen Medienalgorithmus.



Im nächsten Abschnitt vergleichen wir die Simulationsgenauigkeit der beiden Softwareprogramme und konzentrieren uns dabei hauptsächlich auf die Verschlüsselungssimulation FEM + automatische Netzgenerierung von HFSS und den Zeitdomänenlöser und Frequenzdomänenlöser von CST.


0 2Skriptaufbau einer rückgespeisten Patchantenne

     

Zu den gängigen Einspeisemethoden für rechteckige Patchantennen gehören die seitliche Einspeisung und die Rückspeisung. Dieser Tweet verwendet Backfeeding für die Simulationsanalyse.





Zunächst wird Rogers 4350b mit einer Substratdicke von 0.762 mm und einer Resonanzfrequenz von 5.8 GHz ausgewählt. (nach links und rechts schieben, um die vollständige Formel zu sehen)

Gemäß der obigen Formel betragen Breite und Länge der Patchantenne 16.9 mm bzw. 13.3 mm.


Nach den letzten beiden Tweets, dem ersten Aufzählungspunkt der hfss-api-Einführung: Zeichnen Sie ein Kästchen und dem zweiten Aufzählungspunkt der hfss-api-Einführung: Grundform und Funktionsweise, können Sie jetzt das HFSS-VBS-Skript einer rückgespeisten Patch-Antenne direkt ausrollen ( Den Download-Link finden Sie am Ende des Textes im Beispielordner.


clear;clc;path = mfilename('fullpath');i=strfind(path,'');path=path(1:i(end));cd(path);addpath(genpath(strcat(path,'hfssapi -by-Jianhui Huang')));try % 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. tmpScriptFile: Verwenden Sie die von vbs bereitgestellte Datei 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='element'; hfssInsertDesign(fid, Design_name); Patch_W=16.9;Patch_L=13.3; Sub_W=35;Sub_L=30;Sub_H=0.762;Kupfer_H=0.035; Probe_dy=-4;Probe_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, value, Units,flag) 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,Design_name,'Sub_L', Sub_L, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Sub_H', Sub_H, 'mm',1); hfssVariableInsert(fid,Design_name,'copper_H', copper_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,Design_name,'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, Start, Size, Units, Color, Material, Transparency, flag) 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); % 画贴片 hfssBox(fid, 'Patch', {'-Patch_W/2', '-Patch_L/2', 'Sub_H'}, {'Patch_W', 'Patch_L', 'copper_H'}, 'mm', ...  „(255 128 0)“, „Kupfer“, 0, 2); % 画GND hfssBox(fid, 'GND', {'-Sub_W/2', '-Sub_L/2', '0mm'}, {'Sub_W', 'Sub_L', '-copper_H'}, 'mm', ...  „(128 128 128)“, „Kupfer“, 0, 2); % 画同轴部分 % 画同轴内芯 % hfssCylinder(fid, ZylinderName, Achse, Mitte, Radius, Höhe, Einheiten, Farbe, Material, Transparenz, Flag) hfssCylinder(fid, 'Inner', 'Z', {' Probe_dx', 'Probe_dy', 'Sub_H+copper_H'}, 'Inner_R','-(Sub_H+copper_H*2+L0)', 'mm',...  „(128 128 128)“, „Kupfer“, 0, 2); hfssCylinder(fid, 'Diel', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '-copper_H'}, 'Diel_R','-L0', 'mm',...  „(0 128 128)“, „Vakuum“, 0, 2); hfssCylinder(fid, 'Outer', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '-copper_H'}, 'Outer_R','-L0', 'mm',...  „(128 128 128)“, „Kupfer“, 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)“, „Vakuum“, 0, 2); % 布尔操作 hfssSubtract(fid, {'Outer'}, {'Diel'}, true); hfssSubtract(fid, {'Sub1','Patch','Diel'}, {'Inner'}, true); hfssSubtract(fid, {'GND'}, {'GND_hole'}, false); % 保存项目文件到指定路径 hfssSaveProject(fid, tmpPrjFile,1); % Schließen Sie die HFSS-Skriptdatei. 


Der obige Code ändert die Pfade tmpprjfile, tmpscriptfile, hfssexepath und design entsprechend der individuellen Situation. Der Name, das von MATLAB generierte VBS-Skript, die m-Datei und das heruntergeladene hfssapi von Jianhui Huang werden im selben allgemeinen Ordner abgelegt. Klicken Sie auf „Ausführen“, um das VBS-Skript zu generieren (unter dem Pfad der selbst zugewiesenen tmpscript-Datei). Das VBS-Skript kann direkt oder in der HFSS-Software ausgeführt werden.

Nachdem die Modellierung abgeschlossen ist, fügen Sie die Region selbst hinzu, legen Sie die Strahlungsrandbedingungen und die Einrichtung der Analyse fest, und dann kann die Simulation ausgeführt werden (nachdem die nachfolgende Grenze und Analyse synchronisiert wurden, können sie im Skript festgelegt werden).


Analyse


Zu diesem Zeitpunkt ist aus den Simulationsergebnissen ersichtlich, dass die Antennenresonanzfrequenz auf eine niedrige Frequenz voreingenommen ist und die Eingangsimpedanz von 50 Ohm abweicht.



Zu diesem Zeitpunkt wird jemand sagen, dass das Einstellen der Antenne Metaphysik ist. Wie kann ich wissen, welche Variablen angepasst werden müssen und wie viele Variablen angepasst werden müssen? Kann ich die Optimierung direkt nutzen? Tatsächlich wissen diejenigen, die die relevanten Prinzipien der Patch-Antenne verstanden haben, dass sie zu diesem Zeitpunkt nur die Länge der Antenne und die Position der Speiseabweichung von der Mitte anpassen müssen. Ersteres beeinflusst die Resonanzfrequenz und letzteres beeinflusst die Anpassung der Antenne.

Aus der obigen Abbildung ist ersichtlich, dass die Impedanzanpassung besser ist, wenn der Einspeisepunkt 2.5 mm von der Mitte der Patchantenne entfernt ist.




Zu diesem Zeitpunkt ist die Resonanzfrequenz der Antenne jedoch immer noch auf die niedrige Frequenz von 5.6 GHz voreingestellt, so dass die Einstellung der rückgespeisten 5.8-GHz-Patchantenne durch entsprechende Verkürzung der Antennenlänge abgeschlossen werden kann.



矩形贴片天线长度扫参结果


  


0 3Vergleich der CST- und HFSS-Simulationsergebnisse   

     

Wählen Sie Modeler -> Export in der Menüleiste über HFSS und speichern Sie es im Schrittformat.

Öffnen Sie dann CST, wählen Sie die obige Schrittdatei unter Export aus und importieren Sie sie, löschen Sie irrelevante Modelle wie die Region und legen Sie Materialeigenschaften und Randbedingungen fest.

Unter Verwendung des Zeitbereichslösers und der Standardeinstellung für die Netzgenerierung beträgt die simulierte Resonanzfrequenz 5.759 GHz, was einem Unterschied von 40 MHz zu den Ergebnissen der HFSS-Simulation entspricht.


CST-Zeitbereichsnetzeigenschaften und S11-Ergebnisse


Der Löser des obigen Modells wird direkt in den Frequenzbereichslöser geändert und die Gitterteilung wird gemäß der folgenden Abbildung festgelegt. Die simulierte Resonanzfrequenz beträgt 5.825 GHz, was etwa 25 MHz vom HFSS-Simulationsergebnis abweicht, das sehr nahe beieinander liegt.



Eigenschaften des CST-Frequenzbereichsnetzes und S11-Ergebnisse





Im Allgemeinen sind die Simulationsergebnisse elektrisch kleiner Mikrostreifen-Patchantennen unter der FEM + Verschlüsselungssimulation zur automatischen Netzgenerierung von HFSS und dem Zeit- und Frequenzbereichslöser von CST akzeptabel. Schließlich gehört das Antennendesign zur Kategorie der Ingenieurskunst. Tatsächlich sollten Verarbeitungs- und Schweißtoleranzen berücksichtigt werden, daher ist es für Testanalysen, Debugging und Optimierung immer noch notwendig, die Leiterplatte mehrmals zu bearbeiten. Es gibt keinen Grund, einen starren Simulationsunterschied zu machen.


Es erfordert viel Zeit und Energie, grundlegenden Code zu schreiben und Kommentare abzugeben. Ich hoffe, Sie haben Lust, mehr zu teilen!


Code-Sharing-Bereich

hfssapi-von-Jianhui Huang

Download-Link (Folgecode wird im folgenden Link fortlaufend aktualisiert):

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

Extraktionscode:o5p5

Der Code wurde gekapselt und als AP-Datei gepackt, die nicht geändert werden kann. Jedes Mal, wenn Sie es herunterladen und überschreiben, können Sie es gemäß den Funktionskommentaren austauschen!



Hinweis: MATLAB generiert ein VBS-Skript. Die m-Datei wird im selben allgemeinen Ordner abgelegt wie hfssapi von Jianhui Huang. Führen Sie die M-Datei nicht im Beispielordner aus!



Die Marke „Kinghelm“ wurde ursprünglich von der Golden Beacon Company registriert. Golden Beacon ist ein Direktvertriebshersteller von GPS-Antennen und Beidou-Antennen. Es erfreut sich in der GPS-Navigations- und Positionierungsbranche von Beidou einer sehr hohen Beliebtheit und Reputation. Die F&E- und Produktionsprodukte werden häufig in der BDS-Satellitennavigation und -ortung, der drahtlosen Kommunikation und anderen Bereichen eingesetzt. Zu den Hauptprodukten gehören: RJ45-RJ45-Netzwerk, Netzwerkschnittstellenstecker, HF-Steckeradapter, Koaxialkabelstecker, Typ-C-Stecker, HDMI-Schnittstelle, Typ-C-Schnittstelle, Pin und Bus, SMA, FPC, FFC-Antennenstecker, Antennensignalübertragung wasserdichter Stecker, HDMI-Schnittstelle, USB Steckverbinder, Anschlussleitung, Anschlussklemmenleiste, Anschlussleiste, RF-RFID-Tag Positionierung der Navigationsantenne, Verbindungskabel der Kommunikationsantenne, Gummistabantenne, Saugantenne, 433-Antenne, 4G-Antenne, GPS-Modulantenne usw. Sie wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, Kommunikation, Militärindustrie, Instrumentierung, Sicherheit, Medizin und anderen Branchen eingesetzt.


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