ANSYS 17.0測(cè)試報(bào)告：電大尺寸天線罩與波導(dǎo)裂縫陣一體化仿真

天線罩是用來(lái)保護(hù)天線的一種介質(zhì)外殼，使天線避免在各種惡劣環(huán)境條件下可能造成的損壞，但是天線罩的存在也會(huì)影響天線的電性能，包括輻射方向圖、功率傳輸損耗、瞄準(zhǔn)誤差等。隨著ANSYS HFSS 軟件在天饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的普及，針對(duì)天線及其前端饋電網(wǎng)絡(luò)的基于仿真的設(shè)計(jì)流程已經(jīng)日趨成熟。先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段也促進(jìn)射頻模塊不停地向更高性能、更高集成度的方向發(fā)展。隨著天線指標(biāo)的不斷提高，天線罩的電磁設(shè)計(jì)，尤其是天線罩與天線或天線陣的一體化設(shè)計(jì)和聯(lián)合仿真已經(jīng)成為迫切需要解決的課題。

天線罩作為復(fù)雜天線系統(tǒng)的重要組成部分，其電磁設(shè)計(jì)也具有相當(dāng)?shù)碾y度。很多天線罩是電大尺寸與復(fù)雜材料的混合體，同時(shí)，當(dāng)其內(nèi)部為波導(dǎo)裂縫天線陣時(shí)，還需要考慮天線的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，其轉(zhuǎn)動(dòng)引起的瞄準(zhǔn)誤差和瞄準(zhǔn)誤差斜率對(duì)計(jì)算精度的要求高，采用全波仿真技術(shù)對(duì)天線陣帶天線罩進(jìn)行整體精確仿真是必要的。其產(chǎn)生的大規(guī)模計(jì)算和大的仿真任務(wù)量需要通過(guò)先進(jìn)的算法及并行求解技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1.新功能3D Component更快實(shí)現(xiàn)天線罩與天線陣一體化建模

在通常的研發(fā)流程中，天線罩與天線或天線陣往往是不同設(shè)計(jì)小組開(kāi)發(fā)，而在天線罩的電性能研究中，需要將天線或天線陣與天線罩一體化進(jìn)行考慮，才能獲得更為精確且可靠的結(jié)果，因?yàn)橹挥羞@樣才能將復(fù)雜的近場(chǎng)效應(yīng)考慮在內(nèi)。因而，仿真模型的安全傳遞成為了實(shí)際研發(fā)過(guò)程中必須要解決的問(wèn)題。

圖：天線罩與波導(dǎo)裂縫陣模型

HFSS中不斷完善的3D Component功能可以將HFSS仿真模型保存為一個(gè)3D Component，這個(gè)Component中包含了HFSS仿真所需的一切設(shè)置與信息，包括三維結(jié)構(gòu)、材料屬性、端口、邊界條件、網(wǎng)格剖分方式、混合算法設(shè)置等，可以直接用于新的仿真。在最新的HFSS 2016版本中，3D Component增加了全新的加密功能，除了可以通過(guò)密碼保護(hù)模型的安全外，還能夠隱藏模型的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，在3D Component的使用者看來(lái)，就像一個(gè)黑盒子，卻通過(guò)仿真能獲得完整模型的所有性能，從而進(jìn)一步確保了模型傳遞的安全性，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

圖：3D Component加密設(shè)置，可選擇想要隱藏或顯示的結(jié)構(gòu)

本測(cè)試案例中，我們將波導(dǎo)裂縫陣的所有內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)隱藏，僅允許顯示最外面的空氣盒子。

在新的工程文件中，我們分別插入已經(jīng)保存完好的天線罩及波導(dǎo)裂縫陣的3D Component文件，并調(diào)整相對(duì)位置，只需要極簡(jiǎn)單的幾部操作就完成了天線罩與天線陣的一體化模型的建立，并且無(wú)需再進(jìn)行任何材料屬性、端口、邊界條件等設(shè)置，因?yàn)檫@些所有的設(shè)置已經(jīng)隨著3D Component帶到了新的模型中。由于波導(dǎo)裂縫陣的3D Component已經(jīng)被加密并隱藏內(nèi)部細(xì)節(jié)，所以裝配好的模型中僅能看到未被隱藏的空氣盒子。

模型基本信息如下：

天線罩：?jiǎn)螌咏橘|(zhì)罩，高650mm，底面直徑320mm，厚度約2.5mm；

波導(dǎo)縫隙陣：圓形口徑，直徑185mm，四端口饋電；

工作頻段：15GHz。

圖：3D Component裝配好的一體化模型，天線陣內(nèi)部細(xì)節(jié)被完全隱藏

2. FEM-IE混合算法減少求解空間

電大尺寸介質(zhì)天線罩在仿真算法方面，HFSS的FEM-IE混合算法是最佳的選擇。以PO、UTD為代表的高頻漸進(jìn)算法僅能對(duì)純金屬的電大尺寸問(wèn)題有效，無(wú)法仿真具有介質(zhì)結(jié)構(gòu)的天線罩，加之電磁波束多次反射導(dǎo)致在天線罩內(nèi)部的路徑復(fù)雜，傳統(tǒng)基于射線理論的高頻算法很難處理；單純的矩量法在解算多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)很難生成格林函數(shù)，且難以解算具有任意三維曲面的介質(zhì)結(jié)構(gòu)及波導(dǎo)裂縫陣這樣的內(nèi)腔問(wèn)題；有限元法非常擅長(zhǎng)于任意三維結(jié)構(gòu)的求解及天線陣問(wèn)題，但由于求解空間過(guò)大而帶來(lái)的巨大運(yùn)算量會(huì)降低仿真效率。

與單一的全波有限元或矩量法相比，HFSS中混合了有限元和積分方程兩種全波算法的混合算法能夠減小求解空間尺寸，降低運(yùn)算量，減少時(shí)間域資源的消耗。HFSS中通過(guò)FE-BI邊界技術(shù)，在邊界內(nèi)部采用有限元算法，邊界表面采用積分方程算法，天線罩與天線之間大量的空氣區(qū)域可從有限元求解域中去除，并且能夠與天線完全共形。

圖 ：FE-BI邊界(左)與有限元輻射邊界(右)相比能夠顯著減小求解空間