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Progettazione antenna con Ansys HFSS

 

Le antenne svolgono un ruolo cruciale nei moderni sistemi di comunicazione e radar, consentendo la trasmissione e la ricezione di segnali elettromagnetici su varie piattaforme. La progettazione di antenne efficienti richiede una profonda comprensione dei principi elettromagnetici per garantire prestazioni ottimali. Questo post offre una panoramica del flusso di simulazione dell’antenna in Ansys HFSS, un potente strumento di progettazione noto per la sua capacità di simulare accuratamente i campi elettromagnetici.

Con HFSS, la progettazione di antenne diventa non solo efficiente, ma anche intuitiva. L’interfaccia facile da usare, unita a funzioni avanzate come l’analisi parametrica e gli algoritmi di ottimizzazione, facilitano l’esplorazione di un’ampia gamma di configurazioni di antenne e la rapida iterazione dei progetti per ottenere una soluzione che soddisfi i requisiti.

Geometria del modello

Per iniziare, gli utenti possono utilizzare l’interfaccia intuitiva per disegnare la geometria dell’antenna, che può spaziare da strutture semplici come le antenne a filo a configurazioni complesse di array. Uno dei vantaggi principali di HFSS è il suo supporto per la geometria parametrizzata, che consente agli utenti di definire le dimensioni geometriche utilizzando variabili invece di valori fissi. Ciò consente di esplorare facilmente le variazioni del progetto e facilita gli studi parametrici per ottimizzare le prestazioni dell’antenna.

L’immagine qui sotto mostra un modello di antenna a patch circolare con alimentazione a sonda completamente parametrizzato. La vista Proprietà sotto il Project Manager mostra che le dimensioni del substrato sono state parametrizzate. Il riquadro Disegna della barra multifunzione mostra molte delle operazioni di disegno 1D, 2D e 3D e le operazioni booleane che possono essere utilizzate per creare la geometria del modello.

Una volta definita la geometria dell’elemento dell’antenna e della struttura di alimentazione, la creazione di un airbox intorno all’antenna è un passo importante. La dimensione dell’airbox serve a stabilire i confini del dominio di simulazione e a garantire una rappresentazione accurata dell’ambiente elettromagnetico dell’antenna. Nel modello mostrato sopra, l’airbox viene creato come una regione visualizzata in wireframe.

Proprietà dei materiali e condizioni al contorno

Le proprietà dei materiali sono assegnate agli oggetti all’interno del modello, compresi gli elementi dell’antenna, i substrati del PCB e le strutture circostanti. Le proprietà dei materiali definiscono il modo in cui le onde elettromagnetiche interagiscono con gli oggetti. Le proprietà dei materiali rilevanti per la simulazione dell’antenna includono la permittività dielettrica, la tangente di perdita dielettrica e la conducibilità elettrica. Specificando accuratamente le proprietà dei materiali, gli utenti possono simulare le antenne in ambienti realistici e valutare le loro prestazioni in diverse condizioni operative.

HFSS include una libreria di materiali che contiene molti materiali spesso utilizzati nella progettazione di antenne. Gli utenti possono aggiungere materiali personalizzati alla libreria. Le proprietà del materiale possono essere dipendenti dalla frequenza, anisotrope, dipendenti dallo spazio e/o dalla temperatura. L’immagine seguente mostra la definizione della libreria di materiali per il materiale del substrato utilizzato nel modello di antenna patch.

Le condizioni al contorno giocano un ruolo importante nel definire il comportamento dei campi elettromagnetici ai confini del dominio di simulazione e per gli oggetti 2D. Per le antenne, HFSS offre diverse opzioni per specificare le condizioni di confine che imitano uno spazio aperto, consentendo alle onde elettromagnetiche di propagarsi liberamente senza riflessioni. Queste includono le condizioni al contorno assorbenti di secondo ordine (ABC), gli strati perfettamente abbinati (PML) e le terminazioni integrali del contorno agli elementi finiti (FE-BI). L’immagine sottostante mostra una condizione limite assorbente assegnata alle facce esterne della regione dell’airbox.

Per gli oggetti 2D elettricamente conduttivi, come le antenne e i piani di massa, viene assegnata una condizione limite di conduttività finita. HFSS include diversi modelli di rugosità superficiale che possono essere applicati a questi confini, per adattarsi alle proprietà dell’antenna fabbricata. Altre condizioni di confine spesso utilizzate nei modelli di antenna sono i piani di simmetria, i confini periodici e i confini di impedenza. Le immagini seguenti mostrano le condizioni di confine di conduttività finita assegnate all’antenna patch e al piano di massa.

Eccitazioni della porta

L’assegnazione delle porte per le eccitazioni di alimentazione dell’antenna è un passo importante per garantire una simulazione accurata delle prestazioni e del comportamento dell’antenna. Come nelle misurazioni, le porte forniscono un modo conveniente per analizzare l’impedenza di ingresso dell’antenna e le proprietà di accoppiamento. Le porte vengono utilizzate per ottenere i parametri di diffusione (parametri S) che caratterizzano la risposta in frequenza dell’impedenza dell’antenna e qualsiasi accoppiamento tra elementi multipli.

Le porte d’onda sono comunemente utilizzate per simulare le antenne a guida d’onda e le antenne con alimentazione coassiale e forniscono una soluzione di campo 2D che include l’impedenza caratteristica e la costante di propagazione. Il riferimento di fase della porta può essere regolato mediante il de-embedding lungo la lunghezza della linea di alimentazione. Le porte bitorzolute possono essere utilizzate per fornire un’eccitazione diretta in punti specifici, come ad esempio tra i bracci di un’antenna a dipolo. L’utente specifica l’impedenza di riferimento per l’eccitazione impressa.

L’immagine sottostante mostra una porta d’onda assegnata al cavo coassiale che alimenta l’antenna patch. Per questo tipo di scenario, quando una porta d’onda si trova all’interno del volume del modello, si utilizza un oggetto conduttore per sostenere la porta. La freccia indica la distanza di de-embedding per la definizione della porta.

Impostazione della soluzione

La fase finale prima di risolvere il modello consiste nello specificare i parametri della soluzione. Questo include la definizione della frequenza di meshatura adattiva, del tipo di sweep di frequenza e della risoluzione, e dei parametri di soluzione relativi alla convergenza. La frequenza di soluzione adattiva può essere specificata alla frequenza più alta di interesse per garantire l’ottenimento di una buona maglia. La mesh può anche essere adattata a frequenze multiple specificate o su una banda di frequenza specifica. Il parametro di convergenza predefinito per i modelli di antenna che includono le porte è la differenza massima dei valori del parametro S tra il passaggio adattativo corrente e quello precedente. L’immagine a sinistra mostra una soluzione impostata per eseguire il mesh adattivo a 11,6 GHz fino a quando la variazione dei valori del parametro S è inferiore all’1,5%. La scheda Opzioni è mostrata a destra, con HFSS impostato per utilizzare gli elementi della mesh di primo ordine predefiniti e selezionare automaticamente il solutore matriciale più adatto.

Processo di convergenza

HFSS utilizza il metodo degli elementi finiti per risolvere le equazioni di Maxwell e applica un algoritmo di meshatura adattiva che aggiunge in modo intelligente elementi di mesh in tutto il dominio di soluzione fino al raggiungimento dei criteri di convergenza specificati. Come mostrato nell’immagine sottostante, questo esempio di modello di antenna patch ha completato 9 passate adattive, con le ultime due passate che soddisfano entrambe il valore di convergenza del parametro S dell’1,5%. Il tempo di soluzione è stato di 2 minuti su un normale computer desktop che utilizzava 7 core, e la dimensione finale del modello era di circa 41.000 elementi di maglia tetraedrica.

Maglia a elementi finiti

HFSS impiega una tecnica di mesh adattiva automatica per simulare in modo efficiente e accurato i fenomeni elettromagnetici. Questa capacità di meshing adattivo specifica la densità della maglia locale in base alle variazioni del campo elettromagnetico all’interno del dominio di simulazione. Inoltre, HFSS offre agli utenti il controllo delle impostazioni della mesh e dei criteri di raffinamento, nonché la possibilità di creare operazioni di mesh che impongono una certa densità di mesh in aree specifiche del modello.

Una mesh iniziale viene creata in base alla geometria e al valore di raffinamento lambda. Man mano che vengono completati i passaggi adattivi, HFSS monitora la distribuzione del campo elettromagnetico e raffina la mesh nelle regioni di alta variazione del campo. Concentrando le risorse computazionali in queste aree critiche, HFSS assicura che la simulazione raggiunga i requisiti di convergenza specificati con la mesh più efficiente.

L’immagine sottostante mostra la maglia creata automaticamente da HFSS sulla superficie superiore del substrato dell’antenna patch. Come ci si aspetta, il bordo del patch circolare viene raffinato maggiormente, poiché è lì che si concentrano i campi elettromagnetici per questo tipo di antenna.

Risultati del parametro S

Con HFSS, gli utenti possono visualizzare facilmente i parametri S della struttura dell’antenna. Questi parametri descrivono come i segnali elettromagnetici si propagano nell’antenna e interagiscono con i componenti o le linee di trasmissione collegate. Esaminando i parametri S, i progettisti possono valutare diverse metriche di prestazioni, tra cui l’adattamento dell’impedenza, la perdita di ritorno e la larghezza di banda. Inoltre, l’analisi dei parametri S consente di ottimizzare le reti di accoppiamento e le strutture di alimentazione per migliorare l’efficienza e le prestazioni dell’antenna.

I grafici sottostanti mostrano la perdita di ritorno e l’impedenza di ingresso del modello di antenna patch, che mostra una risonanza ben abbinata a 11,59 GHz. La risposta di impedenza può essere visualizzata sul grafico di Smith, in cui la posizione centrale corrisponde alla condizione di accoppiamento di impedenza.

Risultati in campo lontano

La visualizzazione dei risultati di campo lontano, come i modelli di antenna e il guadagno, aiuta gli ingegneri di antenne a comprendere le caratteristiche di radiazione e le proprietà direzionali del loro progetto. HFSS consente agli utenti di creare facilmente una serie di grafici e rapporti di campo lontano 2D e 3D per valutare parametri importanti come la direttività, il guadagno, l’ampiezza del fascio e l’efficienza di radiazione. Queste informazioni possono essere utilizzate per ottimizzare i progetti di antenne per soddisfare i requisiti di prestazione. Le immagini qui sotto mostrano le viste del modello di campo lontano che possono essere sovrapposte alla geometria dell’antenna patch per indicare la direzione di propagazione.

Risultati in campo vicino

Gli utenti possono anche ispezionare il comportamento del campo elettromagnetico all’interno del dominio della soluzione. Questa funzionalità fornisce preziose informazioni su come le onde elettromagnetiche interagiscono con le strutture dell’antenna e si irradiano nell’ambiente circostante. Gli utenti possono visualizzare sia i campi elettrici che quelli magnetici in formato magnitudo e vettoriale, il che può rivelare come le antenne a alimentazione singola e multipla creano le onde radianti per una polarizzazione desiderata.

HFSS consente agli utenti di animare le soluzioni del campo elettromagnetico rispetto alla fase per la soluzione armonica temporale, consentendo una visualizzazione dinamica della propagazione e dell’interazione del campo. Questa funzione è utile per comprendere l’accoppiamento reciproco tra gli elementi dell’antenna e altri fenomeni importanti nei progetti multi-antenna. Visualizzando queste distribuzioni e animazioni di campo elettromagnetico, gli utenti possono identificare i miglioramenti del progetto e prendere decisioni informate per raggiungere gli obiettivi di prestazione desiderati.

L’immagine seguente mostra la magnitudine del campo elettrico nel piano YZ per l’antenna patch circolare. L’immagine viene visualizzata utilizzando una scala logaritmica e ci sono molte opzioni di visualizzazione che consentono all’utente di personalizzare l’aspetto del grafico per l’uso in presentazioni e relazioni. Il grafico del campo mostra come l’antenna patch irradia dal perimetro per produrre un’onda di propagazione centrata sul patch.

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