应用ANSOFTHFSS对曲面结构贴片天线的模拟.docx

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应用ANSOFTHFSS对曲面结构贴片天线的模拟

第四章应用ANSOFTHFSS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=20mm，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（SolutionType）Drivenmodal。

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（RadiationBoundary）。

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

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（FarFieldRadiationSphere栏的设定）。

c.使用Validationcheck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4.1.5Validation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4.1.9φ极化的入射波时的贴片表面电流分布图4.1.10θ极化的入射波时的贴片表面电流分布

4.2HFSS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：

=30mm

=3.7874mm

=0.7874mm

=7.1mm

=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HFSS9.0对此球形圆贴片天线的详细模拟过程：

1.运行HFSS9.0，新建项目,并将其名称保存为”球形圆贴片”。

下一步，使用命Project>InsertHFSSDesign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>SolutionType设定求解方式,如图4.2.3所示。

图4.2.2图4.2.3

弹出SolutionType栏，如图4.2.4所示。

这里为微波高频求解选择求解方式为DrivenModel.接下来用命令3DModeler>Units设定模型尺寸，弹出SetModelUnits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SelectDefinition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RogersRT/duroid5880（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>Selectbyname命令，弹出SelectObject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>Selectbyname命令，同时选择sub和in_metal1两个物体在使用命令3DModeler>Boolean>Subtract弹出Subtract栏如图4.2.12所示。

Blank栏中为sub，ToolParts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>AroundAxis命令，弹出SweepAroundAxis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PerfectEBoundary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RadiationBoundary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>IncidentWave命令，弹出IncidentWaveSource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>AnalysisSetup>AddSolutionSetup弹出SolutionSetup栏，solution为7GHz，MaximumNumberofPasses为5，MaximumDeltaE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>InsertfarfieldSetup>Infinitesphere，弹出如图4.2.26所示的FarFieldRadiationSphereSetup栏，theta和phi均为0度到360度,步进为1度。

使用用命令HFSS>ValidationCheck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>SolutionData，弹出SolutionData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>CreateReport命令，弹出CretatReport栏，在ReportType栏中选择FarField项，DislayType栏中选择RectangularPlot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UsePrimarySweep。

在sweeps项中点选UsecurrentDesignandProjectvariable，并且在第一栏中的Name项为Theta，Type项为PrimarySweep，Description项为AllValues，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AddTraces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>PlotFields>Mag_Jsurf，弹出CreateFieldPlot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4.2.35φ极化时的表面电流图4.2.37θ极化时的表面电流

4.3HFSS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=60mm。

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（SolutionType）Drivenmodal。

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4.3.3Z>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=120mm×120mm×320mm的长方体,设定其为辐射边界条件（RadiationBoundary），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（FarFieldRadiationSphere栏的设定），如图4.3.8所示。

c.使用Validationcheck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）

4.4HFSS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HFSS9.0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HFSS9.0，新建工程为Project1，将其保存名称为”fullcylinderpatch”的项目。

使

用命令Project>InsertHFSSDesign进入模型建立及其后序求解界面，接下来使用HFSS>

SolutionType设定求解方式，弹出SolutionType栏，如图4.4.2所示。

这里为微波高频

求解选择求解方式为DrivenModel。

图4.4.2

接下来用命令3DModeler>Units设定模型尺寸，弹出SetModelUnits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>AroundAxis命令，弹出SweepAroundAxis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Xsize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>Selectbyname命令，弹出SelectObject栏如图4.4.12所示的SelectObject栏.点选Rec1和in_metal1，点击OK。

图4.4.12图4.4.13

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

其中Blank栏中为Rec1，ToolParts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SelectDefinition栏。

图4.4.14

由于SelectDefinition栏中没有相对介电常数为2.0的介质因此需要用户对已有的材料修改或完全新建材料来满足自己的要求。

在这里，通过新建材料使其满足求解的要求。

点击SelectDefinition栏中的AddMaterial按钮，弹出View/EditMaterial栏，在Material栏中输入substrate代表介质名称,RelativePermittivity项中修改为2.0，其余参数设定如图4.4.15所示。

图4.4.15图4.4.16

这样,就完成了衬底（sub）和内导体（in_metal）的几何模型的建立。

b.下面为贴片的详细画法

在过点（38.2165,0,0）且平行Z轴的直线上,以点（38.2165,0,7.5）为起点，沿Z轴正方向依次作出长度为15mm的4段线段，如图4.4.16所示。

在分别选择上述的4段线段，使用命令Draw>Sweep>AroundAxis，弹出SweepAroundAxis栏，选择轴为Z轴，角度为11.25度，如图4.4.17所示。

图4.4.17图4.4.18

这样完成了此柱形体的贴片的建立。

如图4.4.18所示。

使用CTRL+A命令选择所有的物体，在XOZ平面内，再使用Edit>Duplicate>Mirror，将建立与图4.4.18对称的柱形体部分，将两部分组合将得到图4.4.1中（a）所示的柱形体，如图4.4.19所示。

图4.4.19图4.4.20

选择两部分的内导体（in_metal和in_metal1），使用3DModeler>Boolean>Unite命令将两部分结合为一部分，对衬底和贴片采用同样的方法，最后的到图4.4.20。

使用CTRL+A命令，选择所有的物体，使用命令Edit>Duplicate>AroundAxis，弹出AroundAxis栏，选择X轴，旋转角度为180度，如图4.4.21所示,点击OK，如图4.4.22所示。

图4.4.21图4.4.22

与上一步相似，选择所有物体，使用Edit>Duplicate>AroundAxis命令，使其绕Z轴旋转，旋转的角度依次为45度,90度,135度,180度,225度,270度,315度，得到如图4.4.23所示的几何体。

图4.4.23图4.4.24

选择所有的衬底部分，使用命令3DModeler>Boolean>Unite将所有的衬底结合为一体。

同样选择所有的内导体部分，将所有的内导体结合为一体。

这样画好的几何体如图4.4.24。

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。

选择所有的贴片（patch），用Hfss>Boundaries>Assign>PerfE命令，弹出如图4.4.25所示的PerfectEBoundary栏，将其命名为PerfE_patch，点击OK。

图4.4.25

设定贴片为理想导体，设定好的贴片如图4.4.26所示。

图4.4.26图4.4.27

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4.4.27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X×Y×Z=110mm×110mm×300mm的长方体完全满足解的要求，作好的长方体命名为boundary，如图4.4.28所示。

图4.4.28图4.4.29

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RadiationBoundary栏，如图4.4.29所示。

点击OK按钮。

设定好的辐射边界条件如图4.4.30所示。

图4.4.30

c.对于激励源的设定,由于这里所