ANSYS 17.0測試報告：電大尺寸天線罩與波導(dǎo)裂縫陣一體化仿真 - 全文

天線罩是用來保護天線的一種介質(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影響天線的電性能，包括輻射方向圖、功率傳輸損耗、瞄準誤差等。隨著ANSYS HFSS 軟件在天饋系統(tǒng)設(shè)計中的普及，針對天線及其前端饋電網(wǎng)絡(luò)的基于仿真的設(shè)計流程已經(jīng)日趨成熟。先進的設(shè)計手段也促進射頻模塊不停地向更高性能、更高集成度的方向發(fā)展。隨著天線指標的不斷提高，天線罩的電磁設(shè)計，尤其是天線罩與天線或天線陣的一體化設(shè)計和聯(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)計也具有相當?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，當其內(nèi)部為波導(dǎo)裂縫天線陣時，還需要考慮天線的轉(zhuǎn)動角度，其轉(zhuǎn)動引起的瞄準誤差和瞄準誤差斜率對計算精度的要求高，采用全波仿真技術(shù)對天線陣帶天線罩進行整體精確仿真是必要的。其產(chǎn)生的大規(guī)模計算和大的仿真任務(wù)量需要通過先進的算法及并行求解技術(shù)實現(xiàn)。

1.新功能3D Component更快實現(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)計小組開發(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行考慮，才能獲得更為精確且可靠的結(jié)果，因為只有這樣才能將復(fù)雜的近場效應(yīng)考慮在內(nèi)。因而，仿真模型的安全傳遞成為了實際研發(fā)過程中必須要解決的問題。

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3D Component，這個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，除了可以通過密碼保護模型的安全外，還能夠隱藏模型的結(jié)構(gòu)細節(jié)，在3D Component的使用者看來，就像一個黑盒子，卻通過仿真能獲得完整模型的所有性能，從而進一步確保了模型傳遞的安全性，保護知識產(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)

本測試案例中，我們將波導(dǎo)裂縫陣的所有內(nèi)部結(jié)構(gòu)細節(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)整相對位置，只需要極簡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，并且無需再進行任何材料屬性、端口、邊界條件等設(shè)置，因為這些所有的設(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：單層介質(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為代表的高頻漸進算法僅能對純金屬的電大尺寸問題有效，無法仿真具有介質(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)腔問題；有限元法非常擅長于任意三維結(jié)構(gòu)的求解及天線陣問題，但由于求解空間過大而帶來的巨大運算量會降低仿真效率。

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，降低運算量，減少時間域資源的消耗。HFSS中通過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

本測試案例中，設(shè)置3D Component初期，在各自的模型中已經(jīng)設(shè)置了與天線罩及波導(dǎo)裂縫陣共形的FE-BI邊界，模型裝配時將兩個邊界同時引入到了新的模型中。

圖：HFSS 2016中的IE算法增加了ACA與MLFMM自動選擇的選項

HFSS中IE算法具有ACA（自適應(yīng)交叉近似）和MLFMM（多層快速多極子）兩種加速算法，兩者各有擅長計算的問題類型。在最新的HFSS 2016版本中，HFSS除了可以單獨選擇采用何種加速算法外，新加入了Auto選項，由軟件根據(jù)模型特點智能選擇采用何種加速算法。

HFSS的HPC支持混合算法并行，從上一個版本開始，HFSS的HPC的設(shè)置進一步智能化，使用者只需要指定可用的CPU內(nèi)核數(shù)和內(nèi)存占用比，軟件即可以根據(jù)仿真模型的特點，自動選擇采用何種HPC并行策略。

3. 3D Component網(wǎng)格復(fù)用功能加速參數(shù)掃描效率

天線罩的電性能計算中非常重要的一項是需要考慮天線罩不同傾斜角度對電性能的影響，對于以上基于3D Component裝配完成的模型，可以很容易地將天線罩部分進行旋轉(zhuǎn)，并將旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置為變量，從而考察不同角度下的電性能。

在HFSS 2016中，基于3D Component建立的模型，具備網(wǎng)格復(fù)用功能，即在不改變模型結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，任何針對Component的平移、旋轉(zhuǎn)等改變位置的操作，可以直接復(fù)用此前已經(jīng)剖分完成的網(wǎng)格，從而極大提升參數(shù)掃描的效率。

圖：天線罩不同傾斜角度仿真時間

由于采用了混合算法及并行求解，本案例在HP Z840工作站（詳細配置見后）上求解的速度非?？欤蠼庑畔⑷缦拢?/p>

· 初始0 deg共迭代四步，總耗時2小時24分鐘；

· 此后每個角度耗時40多分鐘（由于此后計算直接利用0 deg的剖分好的網(wǎng)格，節(jié)省了大量時間）；

· 網(wǎng)格量：21.8萬FEM四面體網(wǎng)格+12.7萬IE三角面元網(wǎng)格；

· 最大內(nèi)存消耗：約為24GB；

· 16個角度值（0~30deg，2deg步進）總耗時：13小時47分鐘。

圖：天線罩傾斜2 deg狀態(tài)下的求解時間及內(nèi)存消耗統(tǒng)計

4. 仿真結(jié)果

圖：天線罩在不同傾斜角度的方向圖

以上分別是天線罩在傾斜0、10、20、30 deg時的方向圖仿真結(jié)果，可以明顯看出方向圖主瓣、旁瓣的由于天線罩傾斜引起的改變。

在最新的HFSS 2016版本中，新增了將2D方向圖與模型疊加顯示的功能，使用者可以更直觀地展示仿真結(jié)果。

圖：天線罩在不同傾斜角度的三維方向圖

ANSYS 17.0 測試報告系列包含：