ANSYS HFSS仿真后处理技巧?

ANSYS HFSS 概 述

ANSYS HFSS是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。HFSS提供精确自适应场求解器、拥有空间电磁场分析的强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、定义场分量和轴比。可以计算：

① 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；

② 端口特征阻抗和传输常数；

③ S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；

④ 结构的本征模或谐振解。

提供非常全面的电磁分布解析解。但是在进行工程仿真分析时，工程师往往只关注S参数、阻抗Z以及辐射增益等一些常规数据，忽略了诸如波长数、结构体电流、电场、磁场等分布，或者仅仅把这些数据作为丰富和美化仿真报告使用，没有用于仿真分析和设计改进优化。原因可以理解：客户提出的研制要求并不包含这些内容。

下面通过一个案例介绍通过合理利用没有得到有效重视的仿真结果，使我们达到事半功倍的效果。

贴片天线加固分析

以一个基本贴片天线为例，贴片天线结构如图1，空气介质，同轴馈电方式。天线工作频率2.45GHz。在HFSS建立天线模型，配置参数和边界条件，进行仿真。

图1 贴片天线模型

天线仿真结果如图2。天线基本参数表现合理，性能指标达到一般使用要求，可以开展下一步工程设计。

(a) S11参数

（b）辐射方向图

考虑工程实现，会发现仿真模型存在很多工程不合理设计，最明显的是由于使用空气介质，天线贴片悬浮于空气中（馈电端子没有支撑作用），在现实世界这是不合理的。所以工程设计要既保证电磁模型，同时保证物理模型可工程实现。目前市场上常用做法是增加支撑柱实现，支撑柱的材料有金属材料和非金属材料，无论哪种材料都会对天线电气特性产生不同程度影响。因此使支撑柱对天线影响最小成为设计的关键。下面介绍一种利用HFSS后处理优化支撑柱设计的方法，希望能够起到抛砖引玉的作用，为类似问题提供一条解决思路。

贴片天线加固设计

贴片天线加固支撑柱的为金属材料或非金属材料，在结构强度要求高的应用中常采用金属材料。所以支撑柱的位置选择非常重要，否则会对天线特性产生非常大影响。如图3对比支撑柱（材料：铜，直径3mm）不同位置对天线性能的影响。（a）支撑柱靠近馈电端口，S11偏移；（b）支撑柱置于天线中心，天线性能基本没有变化；（c）支撑柱靠近边缘，天线方向图畸形。由比较可知支撑柱在中心位置影响最小，似乎可以通过参数扫描寻找最佳位置。本文中贴片天线属于最简单形式，当结构稍微复杂时，参数扫描会耗费大量时间；若考虑布局多个支撑柱，实施效率将进一步降低。我们希望参数扫描有的放矢，而不是漫无目的。

（a）支撑柱靠近馈电位置(S11偏移)

（b）支撑柱置贴片中心(基本没有变化)

（c）支撑柱置于边缘(S11恶化、方向图偏移)

图3 纵向布局支撑柱，效果对比

图4 贴片天线电场强度分布

图4是天线贴片、介质和地之间的电场分布图，红色到蓝色电场强度从大到小。根据电磁场理论，定性认为电场最小，电压最小，磁场最大，电流最大，从电路角度近似为短路。回到贴片天线这个模型，即贴片上电场最小的位置，近似认为贴片与地板短路，所以在此位置增加一个金属支撑柱，同样是短路效果。增加支撑柱与不加的效果一致，对贴片天线电磁场模式影响很小，满足天线加固设计要求。同理可以设计其它加固点。

本文通过一个小应用，介绍使用HFSS后处理电场分布图，指导优化设计，起到事半功倍效果。在分析高频高功率PCB局部放电、连接器等烧毁问题中，同样可以利用场分布结果进行故障定位和解决。

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