贴片天线的HFSS和CST仿真对比

Comparison of HFSS and CST simulation of patch antenna|技术交流|Technical exchange|Technical exchange|

2021-12-28 18:31:21 0

学个Antenna是以天线仿真和调试为主，理论原理为辅的干货天线技术专栏，包括天线入门知识以及各类天线的原理简介、仿真软件建模、设计、调试过程及思路。如有想看到的内容或技术问题，可以在文尾写下留言。

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01、简单介绍

HFSS里内置的求解算法目前有：有限元算法（FEM），积分方程算法（IE），高频算法（SBR+ Solver），混合算法（FEBI，IE-Region），域分解算法（DDM，FA-DDM），时域算法（Transient），特征模算法（CMA），本征模求解器（Eigenmode solver）等

https://zhuanlan.zhihu.com/p/113897875

大部分人其实仿真简单的天线和滤波器等，使用HFSS的有限元算法和软件自身的自适应网格剖分和加密技术，设置好收敛的Max Mag Delta S（默认0.02）就足以满足其仿真需求。

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对于软件的使用和其他算法求解器的设置这里就不做过多赘述了。

大部分工程师在使用HFSS软件时都会发现，其对电脑的配置要求较高，尤其是内存。而且电大尺寸、超宽带的仿真要求的算力更是难以满足。

CST恰恰弥补了HFSS仿真超宽带的短板，但是它在小尺寸、圆形等结构上的仿真精度不高。如下图所示，HFSS在边缘部分特别是圆形结构附件的三角网格剖分的特别细腻，而CST的六面体网格的剖分过于规整。

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虽然缝隙和圆形等结构附近的剖分虽然可以采用CST的局部网格加密Local Mesh等，但初学者可能还是HFSS的傻瓜式自适应剖分比较人性化。

CST软件采用了电磁场全波时域仿真算法―有限积分法（FIT），对麦克斯韦积分方程进行离散化并迭代求解。由于其所采用的时域算法FIT，只须一步步迭代求解，不用进行矩阵求逆。此内在特性决定了，其适合的仿真结构涵盖电小、电中和电大，均可取得良好的表现。体矩量法、有限元法和有限积分法三者的计算量（体现在CPU 时间和所需内存）分别正比于所分网格数N的3次、2次和1.1~1.2次方，可以看出有限积分法对于算力的要求要低于HFSS的有限元法。

对于CST软件，大家常用的也是Time Domain Solver，除此之外，它还有频域求解器、本征模求解器、积分方程法、渐进计算、多层介质算法。

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下一节我们会对两种软件的进行仿真精度对比，主要是看HFSS的FEM+自动网格剖分加密仿真和CST的Time Domain Solver和Frequency Domain Solver。

0 2脚本构建背馈式贴片天线

常见的矩形贴片天线的馈电方式有侧馈电和背馈式等，本次推文采用背馈电式进行仿真分析。

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先选定基板为0.762mm厚度的Rogers4350B，谐振频率为5.8GHz。(左右滑动可看完整公式）

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经过上面公式计算可得贴片天线的宽度和长度分别为16.9mm和13.3mm。

经过上两次推文 HFSS-API入门第一弹：画个Box 和 HFSS-API入门第二弹：基本形状和操作的教学，现在可以直接撸一个背馈式贴片天线的HFSS vbs脚本（下载链接见文末，examples文件夹内）：

clear;clc;path = mfilename('fullpath');i=strfind(path,'');path=path(1:i(end));cd(path);addpath(genpath(strcat(path,'hfssapi-by-Jianhui Huang')));try    % 填写路径    % tmpPrjFile：生成的aedt或者hfss(安装hfss15以下的后缀名为.hfss)项目文件的路径名    % tmpScriptFile：生成的vbs脚本文件的路径名    tmpPrjFile = 'F:vbsScriptPatch_Probe_Feed.aedt';    tmpScriptFile = 'F:vbsScriptauto_code.vbs';    % hfssExePath：HFSS软件的路径    hfssExePath = 'D:softwareHFSS15AnsysEM18.2Win64ansysedt.exe';    % 创建一个可读写vbs脚本文件.    fid = fopen(tmpScriptFile, 'wt');    %创建一个新的HFSS项目并插入一个新的设计文件.    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);     % 画基板    % 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);    % 画贴片    hfssBox(fid, 'Patch', {'-Patch_W/2', '-Patch_L/2', 'Sub_H'}, {'Patch_W', 'Patch_L', 'copper_H'}, 'mm',...        "(255 128 0)", "copper", 0, 2);    % 画GND    hfssBox(fid, 'GND', {'-Sub_W/2', '-Sub_L/2', '0mm'}, {'Sub_W', 'Sub_L', '-copper_H'}, 'mm',...        "(128 128 128)", "copper", 0, 2);     % 画同轴部分    % 画同轴内芯    % 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);     % 地板开过孔    hfssCylinder(fid, 'GND_hole', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '0mm'}, 'Diel_R','-copper_H', 'mm',...       "(255 128 0)", "vacuum", 0, 2);    % 布尔操作    hfssSubtract(fid, {'Outer'}, {'Diel'}, true);    hfssSubtract(fid, {'Sub1','Patch','Diel'}, {'Inner'}, true);    hfssSubtract(fid, {'GND'}, {'GND_hole'}, false);    % 保存项目文件到指定路径    hfssSaveProject(fid, tmpPrjFile,1);    % Close the HFSS Script File.    fclose(fid);    disp('vbs脚本已生成！');catch    disp('程序出现异常！');    fclose(fid);end

上面的代码按个人情况按图索骥地修改tmpPrjFile，tmpScriptFile ,hfssExePath这几个路径和Design_name，将编写的MATLAB生成vbs脚本的.m文件与下载的hfssapi-by-Jianhui Huang放在同一个总文件夹内，点击运行即可生成vbs脚本(在自行赋值的tmpScriptFile的这个路径下)。vbs脚本可以直接点击运行，或者在HFSS软件中Run Script。

建模完成后，自行添加Region，设置Radiation边界条件和Analysis的Setup，即可进行仿真(后续boundary和analysis同步上来后可以在脚本中就建立好)。

Analysis设置

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此时仿真结果可以看出天线谐振频率偏向低频，且输入阻抗偏离50欧姆。

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这时候有人肯定就会说，调天线就是玄学，这么多变量我怎么知道调节哪些变量，变量调成多少合适，难道直接用Optimization？其实了解过贴片天线相关原理的就晓得，这时候，只需要调节天线的长度和馈电偏离中心的位置即可，前者影响谐振频率，后者影响天线的匹配。

话不多说直接上图，可以看出当馈电点位置偏离贴片天线中心2.5mm时，其阻抗匹配较优。

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不过此时天线的谐振频率还偏向低频5.6GHz，因此适当缩短天线长度即可完成5.8GHz背馈式贴片天线的设置。

矩形贴片天线长度扫参结果

0 3CST和HFSS仿真结果对比

在HFSS上方菜单栏选择Modeler->Export，保存为step格式。

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然后打开CST在Export下选择导入上面的STEP文件，并删除Region等无关模型，设置好材料属性和边界条件。

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采用时域求解器和默认的网格剖分设置，仿真的谐振频率在5.759GHz，与HFSS仿真结果相差40MHz。

CST时域Meshproperties和S11结果

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直接将上述模型的求解器改为频域求解器并按下图设置网格剖分，仿真的谐振频率在5.825GHz，与HFSS仿真结果相差25MHz左右，已经很接近了。

CST频域Meshproperties和S11结果

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总体来说，电小尺寸的微带贴片天线在HFSS的FEM+自动网格剖分加密仿真和CST的时域和频域求解器下，仿真结果差异可以接受。毕竟天线设计属于工科范畴，实际还要考虑加工、焊接容差等，所以还是需要打几次PCB板进行测试分析、调试优化，死磕这点仿真差异并没有啥意义。

基础性地写代码编注释，建模仿真还是挺费时间和精力的，希望大家多点赞分享！

代码分享区

hfssapi-by-Jianhui Huang

下载链接（后续代码持续在下面链接更新）：

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

提取码：o5p5

代码已封装好打包为p文件不可修改，每次重新下载覆盖，按函数注释进行掉包即可！

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注释事项：MATLAB生成vbs脚本的.m文件与hfssapi-by-Jianhui Huang放在同一个总文件夹内。不要在examples文件夹内运行.m文件！

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“Kinghelm”商标由金航标公司原始注册，金航标是GPS天线北斗天线研发生产直销厂家，在北斗GPS导航定位行业非常高的知名度和美誉度，研发生产产品广泛应用于bds卫星导航定位无线通信等领域。主要产品包括：RJ45-RJ45网络，网络接口连接器、射频连接器转接线、同轴线缆连接器、type-c连接器、hdmi接口type-c接口、排针排母、SMA、fpc、FFC天线连接器、天线信号传输防水接头、hdmi接口、usb连接器、端子端子线、端子板接线端子、接线端子排、射频rfid标签、定位导航天线、通讯天线天线连接线、胶棒天线吸盘天线、433天线4G天线，GPS模块天线等。广泛应用于航天航空、通信、军工、仪器仪表和安防、医疗等行业。

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