摘要：

目前常用的電磁仿真軟件有HFSS、CST、FEKO等，HFSS軟件仿真電小物體相對(duì)而言要比CST更精確，CST對(duì)寬帶天線的求解速度則比HFSS更勝一籌！因?yàn)镃ST是基于時(shí)域有限積分法，只需要輸入一個(gè)時(shí)域脈沖就可以仿真寬帶頻譜結(jié)果。

本文使用的軟件為CST2018和AnsysEM 18.2

0 1簡(jiǎn)單介紹

HFSS里內(nèi)置的求解算法目前有：有限元算法（FEM），積分方程算法（IE），高頻算法（SBR+ Solver）， 混合算法（FEBI，IE-Region），域分解算法（DDM，F(xiàn)A-DDM），時(shí)域算法（Transient），特征模算法（CMA），本征模求解器（Eigenmode solver）等https://zhuanlan.zhihu.com/p/113897875

大部分人其實(shí)仿真簡(jiǎn)單的天線和濾波器等，使用HFSS的有限元算法和軟件自身的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分和加密技術(shù)，設(shè)置好收斂的Max Mag Delta S（默認(rèn)0.02）就足以滿足其仿真需求。

對(duì)于軟件的使用和其他算法求解器的設(shè)置這里就不做過(guò)多贅述了。

大部分工程師在使用HFSS軟件時(shí)都會(huì)發(fā)現(xiàn)，其對(duì)電腦的配置要求較高，尤其是內(nèi)存。而且電大尺寸、超寬帶的仿真要求的算力更是難以滿足。

CST恰恰彌補(bǔ)了HFSS仿真超寬帶的短板，但是它在小尺寸、圓形等結(jié)構(gòu)上的仿真精度不高。如下圖所示，HFSS在邊緣部分特別是圓形結(jié)構(gòu)附件的三角網(wǎng)格剖分的特別細(xì)膩，而CST的六面體網(wǎng)格的剖分過(guò)于規(guī)整。

雖然縫隙和圓形等結(jié)構(gòu)附近的剖分雖然可以采用CST的局部網(wǎng)格加密Local Mesh等，但初學(xué)者可能還是HFSS的傻瓜式自適應(yīng)剖分比較人性化。

CST軟件采用了電磁場(chǎng)全波時(shí)域仿真算法―有限積分法（FIT），對(duì)麥克斯韋積分方程進(jìn)行離散化并迭代求解。由于其所采用的時(shí)域算法FIT，只須一步步迭代求解，不用進(jìn)行矩陣求逆。此內(nèi)在特性決定了，其適合的仿真結(jié)構(gòu)涵蓋電小、電中和電大，均可取得良好的表現(xiàn)。體矩量法、有限元法和有限積分法三者的計(jì)算量（體現(xiàn)在CPU 時(shí)間和所需內(nèi)存）分別正比于所分網(wǎng)格數(shù)N的3次、2次和1.1~1.2次方，可以看出有限積分法對(duì)于算力的要求要低于HFSS的有限元法。

對(duì)于CST軟件，大家常用的也是Time Domain Solver，除此之外，它還有頻域求解器、本征模求解器、積分方程法、漸進(jìn)計(jì)算、多層介質(zhì)算法。

下一節(jié)我們會(huì)對(duì)兩種軟件的進(jìn)行仿真精度對(duì)比，主要是看HFSS的FEM+自動(dòng)網(wǎng)格剖分加密仿真和CST的Time Domain Solver和Frequency Domain Solver。

0 2腳本構(gòu)建背饋式貼片天線

常見(jiàn)的矩形貼片天線的饋電方式有側(cè)饋電和背饋式等，本次推文采用背饋電式進(jìn)行仿真分析。

先選定基板為0.762mm厚度的Rogers4350B，諧振頻率為5.8GHz。（左右滑動(dòng)可看完整公式）

經(jīng)過(guò)上面公式計(jì)算可得貼片天線的寬度和長(zhǎng)度分別為16.9mm和13.3mm。

經(jīng)過(guò)上兩次推文HFSS-API入門第一彈：畫個(gè)Box和HFSS-API入門第二彈：基本形狀和操作的教學(xué)，現(xiàn)在可以直接擼一個(gè)背饋式貼片天線的HFSS vbs腳本（下載鏈接見(jiàn)文末，examples文件夾內(nèi)）：

clear;clc;path = mfilename（‘fullpath’）;i=strfind（path，‘’）;path=path（1:i（end））;cd（path）;addpath（genpath（strcat（path，‘hfssapi-by-Jianhui Huang’）））;try % 填寫路徑 % tmpPrjFile：生成的aedt或者h(yuǎn)fss（安裝hfss15以下的后綴名為.hfss）項(xiàng)目文件的路徑名 % tmpScriptFile：生成的vbs腳本文件的路徑名 tmpPrjFile = ‘F:vbsScriptPatch_Probe_Feed.aedt’; tmpScriptFile = ‘F:vbsScriptauto_code.vbs’;

% hfssExePath：HFSS軟件的路徑 hfssExePath = ‘D:softwareHFSS15AnsysEM18.2Win64ansysedt.exe’;

% 創(chuàng)建一個(gè)可讀寫vbs腳本文件。 fid = fopen（tmpScriptFile， ‘wt’）;

%創(chuàng)建一個(gè)新的HFSS項(xiàng)目并插入一個(gè)新的設(shè)計(jì)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;copper_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）; % 畫基板 % 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）;

% 畫貼片 hfssBox（fid， ‘Patch’， {‘-Patch_W/2’， ‘-Patch_L/2’， ‘Sub_H’}， {‘Patch_W’， ‘Patch_L’， ‘copper_H’}， ‘mm’，... “（255 128 0）”， “copper”， 0， 2）; % 畫GND hfssBox（fid， ‘GND’， {‘-Sub_W/2’， ‘-Sub_L/2’， ‘0mm’}， {‘Sub_W’， ‘Sub_L’， ‘-copper_H’}， ‘mm’，... “（128 128 128）”， “copper”， 0， 2）;

% 畫同軸部分 % 畫同軸內(nèi)芯 % hfssCylinder（fid， CylinderName， Axis， Center， Radius， Height， Units， Color， Material， Transparency， 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）”， “copper”， 0， 2）;

hfssCylinder（fid， ‘Diel’， ‘Z’， {‘Probe_dx’， ‘Probe_dy’， ‘-copper_H’}， ‘Diel_R’，‘-L0’， ‘mm’，... “（0 128 128）”， “vacuum”， 0， 2）; hfssCylinder（fid， ‘Outer’， ‘Z’， {‘Probe_dx’， ‘Probe_dy’， ‘-copper_H’}， ‘Outer_R’，‘-L0’， ‘mm’，... “（128 128 128）”， “copper”， 0， 2）; % 地板開(kāi)過(guò)孔 hfssCylinder（fid， ‘GND_hole’， ‘Z’， {‘Probe_dx’， ‘Probe_dy’， ‘0mm’}， ‘Diel_R’，‘-copper_H’， ‘mm’，... “（255 128 0）”， “vacuum”， 0， 2）;

% 布爾操作 hfssSubtract（fid， {‘Outer’}， {‘Diel’}， true）; hfssSubtract（fid， {‘Sub1’，‘Patch’，‘Diel’}， {‘Inner’}， true）; hfssSubtract（fid， {‘GND’}， {‘GND_hole’}， false）;

% 保存項(xiàng)目文件到指定路徑 hfssSaveProject（fid， tmpPrjFile，1）;

% Close the HFSS Script File. fclose（fid）; disp（‘vbs腳本已生成！’）;catch disp（‘程序出現(xiàn)異常！’）; fclose（fid）;end

上面的代碼按個(gè)人情況按圖索驥地修改tmpPrjFile，tmpScriptFile ，hfssExePath這幾個(gè)路徑和Design_name，將編寫的MATLAB生成vbs腳本的.m文件與下載的hfssapi-by-Jianhui Huang放在同一個(gè)總文件夾內(nèi)，點(diǎn)擊運(yùn)行即可生成vbs腳本（在自行賦值的tmpScriptFile的這個(gè)路徑下）。vbs腳本可以直接點(diǎn)擊運(yùn)行，或者在HFSS軟件中Run Script。建模完成后，自行添加Region，設(shè)置Radiation邊界條件和Analysis的Setup，即可進(jìn)行仿真（后續(xù)boundary和analysis同步上來(lái)后可以在腳本中就建立好）。

Analysis設(shè)置

此時(shí)仿真結(jié)果可以看出天線諧振頻率偏向低頻，且輸入阻抗偏離50歐姆。

這時(shí)候有人肯定就會(huì)說(shuō)，調(diào)天線就是玄學(xué)，這么多變量我怎么知道調(diào)節(jié)哪些變量，變量調(diào)成多少合適，難道直接用Optimization？ 其實(shí)了解過(guò)貼片天線相關(guān)原理的就曉得，這時(shí)候，只需要調(diào)節(jié)天線的長(zhǎng)度和饋電偏離中心的位置即可，前者影響諧振頻率，后者影響天線的匹配。

話不多說(shuō)直接上圖，可以看出當(dāng)饋電點(diǎn)位置偏離貼片天線中心2.5mm時(shí)，其阻抗匹配較優(yōu)。

不過(guò)此時(shí)天線的諧振頻率還偏向低頻5.6GHz，因此適當(dāng)縮短天線長(zhǎng)度即可完成5.8GHz背饋式貼片天線的設(shè)置。

矩形貼片天線長(zhǎng)度掃參結(jié)果

0 3CST和HFSS仿真結(jié)果對(duì)比

在HFSS上方菜單欄選擇Modeler-》Export，保存為step格式。

然后打開(kāi)CST在Export下選擇導(dǎo)入上面的STEP文件，并刪除Region等無(wú)關(guān)模型，設(shè)置好材料屬性和邊界條件。

采用時(shí)域求解器和默認(rèn)的網(wǎng)格剖分設(shè)置，仿真的諧振頻率在5.759GHz，與HFSS仿真結(jié)果相差40MHz。

CST時(shí)域Meshproperties和S11結(jié)果

直接將上述模型的求解器改為頻域求解器并按下圖設(shè)置網(wǎng)格剖分，仿真的諧振頻率在5.825GHz，與HFSS仿真結(jié)果相差25MHz左右，已經(jīng)很接近了。

CST頻域Meshproperties和S11結(jié)果

總體來(lái)說(shuō)，電小尺寸的微帶貼片天線在HFSS的FEM+自動(dòng)網(wǎng)格剖分加密仿真和CST的時(shí)域和頻域求解器下，仿真結(jié)果差異可以接受。畢竟天線設(shè)計(jì)屬于工科范疇，實(shí)際還要考慮加工、焊接容差等，所以還是需要打幾次PCB板進(jìn)行測(cè)試分析、調(diào)試優(yōu)化，死磕這點(diǎn)仿真差異并沒(méi)有啥意義。

基礎(chǔ)性地寫代碼編注釋，建模仿真還是挺費(fèi)時(shí)間和精力的，希望大家多點(diǎn)贊分享！

代碼分享區(qū)

hfssapi-by-Jianhui Huang

下載鏈接（后續(xù)代碼持續(xù)在下面鏈接更新）：

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

提取碼：o5p5

代碼已封裝好打包為p文件不可修改，每次重新下載覆蓋，按函數(shù)注釋進(jìn)行掉包即可！

注釋事項(xiàng)：MATLAB生成vbs腳本的.m文件與hfssapi-by-Jianhui Huang放在同一個(gè)總文件夾內(nèi)。不要在examples文件夾內(nèi)運(yùn)行.m文件！

責(zé)任編輯：haq