Ansoft-HFSS在设计对数周期天线时的仿真方法

ANSYS2011中国用户大会优秀论文AnsoftHFSS在设计对数周期天线时的仿真方法孙凤林黄克猛中国西南电子技术研究所，成都，610036[摘要]本文通过ANSOFTHFSS设计了一个对数周期天线，在仿真分析时，发现随着求解频率的不同，天线的求解结果差别较大，求解误差较大。通过在HFSS中尝试不同的求解设置方法，最终通过将天线模型剖分网格最大长度限定在1/50λ的方法，使的求解结果在不同频率求解时的一致性较好，提高了仿真的准确性。为设计者在仿真类似问题时，提供了一种提高求解准确性的方法。[关键词]HFSS；网格设置；对数周期天线TheSimulationMethodondesigningofaLog-PeriodicDipoleAntennaonAnsoftHFSSSunFeng-lin，HuangKe-mengSouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,Chengdu,610036,China[Abstract]AmethodofsimulatingLog-PeriodicDipoleAntennaonAnsoftHFSSisintroducedinthispaper.WhensimulatingtheLog-periodicantennamodel,itwasfoundthatthesimulationresultsaredifferencewithdifferentSolutionFrequencyonHFSS,Thesolutionerrorishigh.Theaccuracyofthesolutiondependsonthesizeofeachoftheindividualelements,togenerateaprecisesimulationresult,applyingmeshoperations,assigningMaximumlengthofElementsmeshto1/50λ,theresultsshowsthatthedifferenceisreducedobviously,thesimulationaccuracyisimproved.[Keyword]HFSS;meshoperations;log-periodicdipoleantenna1前言对数周期偶极子天线（log-periodicdipoleantenna），由于其工作频带宽、增益高、前后比好、结构简单、成本低等众多优点，在短波、超短波、微波等波段的通信、侧向、侦察、电子对抗等方面得到了广泛的应用。本文利用AnsoftHFSS软件对这种传统的对数周期天线进行了设计，在软件中直接建立了天线的仿真模型，并进行了相应的端口和边界设置，然而在仿真求解时却发现，随着求解频率的不同，得到的求解结果差别较大，为了获得一个较可信的分析结果，提高仿真的准确性，对HFSS一些参数设置进行了分析和验证。ANSYS2011中国用户大会优秀论文通过多次比较和验证，最终通过设置网格的办法获得了一组较准确的求解结果，并基于此设置，多模型进行了不断的优化和改进，设计了一个工作在300MHz~1000MHz的对数周期天线，证明了HFSS在设计该类天线时的有效性和正确性。2对数周期天线的基本分析2.1对数周期天线的建模按传统设计方法，对数周期天线的阵子长度为：式中，为低频段自由空间中的工作波长，为介质相对介电常数，此处为空气介质。设置天线工作的最高频率fh=1000MHz，工作的最低频率fL=300MHz，比例因子г=0.85、间距因子σ=0.13，建立对数周期天线的仿真模型如图1所示。天线共有10对金属圆柱阵子，直径相同，天线采用一组正方形的金属管集合线馈电，馈电点设在天线的顶点处，仿真模型将所有部件都设置为pec材料，模型相对简单，并设置好求解频率和辐射边界后，模型检查正确后即可进行仿真。2.2天线仿真时遇到的问题采用AnsoftHFSS对上述对数周期天线模型进行仿真分析。分别设置了两个不同的求解频点(solutionfrequency)，f1=0.6GHz,f2=0.8GHz,sweep从300MHz到600MHz进行离散扫频（discrete），如图2所示。图1对数周期天线的仿真模型图ANSYS2011中国用户大会优秀论文两次求解，除了求解频率不同，其余设置完全相同，仿真结果如图3所示。300.00350.00400.00450.00500.00550.00600.00Freq[MHz]1.001.131.251.381.501.631.75Y1LPDA9XYPlot1ANSOFTMX1:438.05771.37091.7434CurveInfoVSWR(1)Setup3:SweepVSWR(1)_1Setup4:Sweep从图中可以明显看出，天线两次求解的驻波曲线差别较大，最大值差别有0.37，且两条曲线的变化规律也存在不同趋势，一致性不好，说明求解存在较大误差，因此必须对天线模型和求解设置进行改进。通过提高最大DeltaS，增加辐射边界尺寸，应用PML边界以及采用一阶（Firstorder）基函数等方法后，均存在上述现象。分析其原因，发现两次求解频率的不同导致两次模型网格剖分的不同，且局部网格剖分过于粗糙，因此考虑提高网格密度的办法，对模型进行手动网格加密处理。由于天线模型为规则金属柱状体结构，不存在介质，且模型外表面规则。因此考虑基于单元网格长度限制的加密处理。见图4图2不同求解频率设置图3不同求解频率驻波曲线图ANSYS2011中国用户大会优秀论文如图所示，将最大网格长度限制在20mm=1/50λL(λL为300MHz时的波长),然后再次对上述模型进行两次求解，求解频率依然是f1=0.6GHz,f2=0.8GHz。其余设置不变，仿真结果如图5所示，300.00350.00400.00450.00500.00550.00600.00Freq[MHz]1.101.201.301.401.501.601.70VSWR(1)LPDA10XYPlot7ANSOFTCurveInfoVSWR(1)Setup4:SweepVSWR(1)Setup3:Sweep从图5可以看出，两次求解的一致性明显好于图3所示，驻波曲线趋势基本一致，驻波最大差别小于0.04，通过进一步提高网格限制和加密仿真频点，两条曲线的一致性还可以提高，但是仿真效率也会随着网格的加密而降低，因此需要根据自己的需要合理设置。在可接受的误差范围内，提高仿真效率。2.3天线的设计仿真结果图4网格设置图5加密后不同求解频率驻波ANSYS2011中国用户大会优秀论文基于上面的设置，综合考虑仿真效率和计算误差，对天线进行了优化设计，最终得到一组较理想的设计参数。天线的最终仿真结果如下。0.00125.00250.00375.00Theta[deg]-20.00-15.00-10.00-5.000.005.0010.00dB(RealizedGainTotal)LPDA100.3ghzANSOFTm1CurveInfodB(RealizedGainTotal)Setup4:SweepFreq='0.3GHz'Phi='0deg'dB(RealizedGainTotal)Setup4:SweepFreq='0.3GHz'Phi='90deg'NameXYm1180.00007.97570.00125.00250.00375.00Theta[deg]-20.00-15.00-10.00-5.000.005.0010.00dB(RealizedGainTotal)LPDA100.6ghzANSOFTm1CurveInfodB(RealizedGainTotal)Setup4:SweepFreq='0.6GHz'Phi='0deg'dB(RealizedGainTotal)Setup4:SweepFreq='0.6GHz'Phi='90deg'NameXYm1180.00008.93770.00125.00250.00375.00Theta[deg]-25.00-20.00-15.00-10.00-5.00-0.005.0010.00dB(RealizedGainTotal)LPDA101ghzANSOFTm1CurveInfodB(RealizedGainTotal)Setup4:SweepFreq='1GHz'Phi='0deg'dB(RealizedGainTotal)Setup4:SweepFreq='1GHz'Phi='90deg'NameXYm1180.00008.82400.300.400.500.600.700.800.901.00Freq[GHz]6.006.507.007.508.008.509.009.50max(dB(RealizedGainTotal))LPDA10XYPlot9ANSOFTCurveInfomax(dB(RealizedGainTotal))Setup4:SweepPhi='0deg'从仿真结果可以看出，在频率0.3GHz～1.0GHz范围内，对数周期天线驻波小于2。在工作频段内，天线的增益在大于6.4dBi,大部分频点增益在8dB以上。3结论本文介绍了采用AnsoftHFSS分析设计柱状对数周期天线时的仿真方法，采用基于网格最大长度的加密方法，提高了仿真结果的正确性和有效性，并基于该网格设置，设计了一款工作在300MHz~1000MHz的对数周期天线。仿真结果显示了天线的良好性能。这种方法对于设计者在以后遇到类似的问题时，有一定的指导意义。图7E面H面方向图(0.6GHz)图6E面和H面方向图(0.3GHz)图9增益曲线图8E面和H面方向图(1.0GHz)ANSYS2011中国用户大会优秀论文[参考文献][1]林昌禄，聂在平等.天线工程手册.电子工业出版社,2002.[2]作者简历孙凤林(1982-)，男，硕士，工程师，主要研究方向为天线小型化技术和宽带天线技术。Email:[e-mail]黄克猛（1984-)，男，硕士，工程师，主要研究方向为天线小型化和隐身天线技术。