HFSS教案3.docx
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HFSS教案3.docx
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HFSS教案3
HFSS3
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上一节课我们介绍了一个实例,完整而细致的展示了HFSS中仿真前后的主要流程。
对应天线基本电参数的可视化做了演示。
但是,细心的同学发现,天线的驻波并不理想。
如何通过参数分析和进行优化是这一节的内容。
这也是今后我们面对的主要问题。
这一节课你将掌握以下几个方面知识:
1、用变量替代模型尺寸;2、对天线进行参数分析;3、天线优化;
4、阵列建模;5、模型数据导出;6、HFSS脚本编程
一、建立变量
为了方便的修改天线尺寸,我们可以设置一个变量l=30,并令臂长为l。
具体做法是在历史绘图树中双击上臂对应的矩形,在对话框中Zsize项直接输入变量符号l确认。
在接下来弹出的对话框中输出变量的初始值为30,单位选择mm,点击OK完成创建变量操作。
同理,将辐射臂的宽度设置为变量w,初始值为5mm,但此时要注意的是,我们需要将起始y坐标用-w/2表示,当改变w值的时候,天线始终与z轴保持一致。
当设置变量成功后,若我们想改变变量的值,只需要在工程树中选中该设计,在下方的Properties对话框可以直接作修改。
注:
变量不仅可以用于替代尺寸,还可以作为描述位置、材料特性、图形变化参数等使用。
二、长度和宽度变化对天线性能的影响——自动参数扫描分析
参数扫描分析可以使我们在一个已设置变量的仿真模型之上分析具有不同尺寸的模型。
在工程树中鼠标右键点击Optimetrics,打开快捷菜单并选择Add-Parametric…
在接下来的对话框中点击Add,然后选择变量l,离散类型选择LinearStep,起始值为25,停止值为30,间隔为1。
记得点Add后OK键确认。
参数扫描设置成功后,在Optimetrics节点下面生成ParametricSetup1项。
接下来我们开始参数扫描分析,右键点击ParametricSetup1,选择Analyze,启动自动扫参分析。
当信息提示框提示分析完成后,便可到图形结果进行修改。
例如我们修改S11随频率变化图形,在Families标签页中,选择长度变量l为全体,确认修改后点击ApplyTrace生成新的图形。
从新的图形中我们寻找到这样的趋势,随着长度的减小,天线S11的最低点向高频移动。
这个就是我们通过参数扫描获得的第一个重要的结论!
同时,我们得到的第二个有用信息是:
对应长度为25mm和26mm时,中心工作频率分别在2.4GHz和2.5GHz。
那么我们估计,长度在25-26mm之间应该存在最优取值使工作频率为2.45GHz。
同理,我们可以固定长度为26mm不变(在Properties对话框中修改),对w参数进行分析。
注意:
由于天线的尺寸不断变化,空气腔为了满足延伸四分之一波长的条件,可以让空气腔的大小随着变量发生变化!
仿真过程中可能在信息窗口出现以下警告,说明求解结果是非收敛情况下产生的,造成结果值不是太精确。
解决的办法是在Analysis-Setup设置中,增加迭代的步数。
同样,分析完毕后,我们可以得到这样一个关于不同w取值时,反射系数随频率变化的新图形。
从新图形中我们又能获得什么样的信息呢?
1、随着w增加,中心工作频率会降低;
2、随着w增加,小于-10dB的带宽会增加。
综合以上的结果,我们得到的结论是:
如果同时调整l和w值,会改变天线的工作频率和带宽。
当l和w选择一组合适的值,可以使工作频率和带宽均满足指标要求!
即天线优化问题。
三、天线优化
1、一种喻为手动模式的优化方法,同时对两个参数进行扫描,即添加两个自动扫描参数如下。
l和w取值组合一共有42种,我们希望计算所有取值下,2.4GHz、2.45GHz和2.5GHz处的VSWR值。
因此,在Calculation标签页,添加三个VSWR项,分别指向2.4GHz、2.45GHz和2.5GHz。
分析计算过程中,我们可以右键点击ParametricSetup1,选择ViewAnalysisResult,在打开的对话框中,选择Table可以查看已经完成的结果。
当分析过程结束,将所有结果排序后,可以折衷选择一组作为最优参数,点击右侧Apply,作为最终模型参数的结果。
这里选择l=25mm,w=8mm。
2、天线的第二种优化方法喻为全自动模式,只需指定变量的取值范围,目标函数满足的条件即可获得优化结果。
首先从菜单HFSS-DesignProperties打开设计变量对话框。
选择Optimization项,Include下面勾选l和w变量,并估计最优参数大概的最小值和最大值区间。
然后右键点击工程树Optimetrics,选择Add-Optimization…
HFSS提供了一下几种优化方法:
1、柯西牛顿法:
QuasiNewton
2、遗传算法:
GeneticAlgorithm
3、模式搜索:
PatternSearch
4、连续非线性规划:
SequentialNon-linearProgramming(SNLP)
5、混合非线性规划:
SequentialMixedIntegerNonLinearProgramming
相对于参数扫描,自动优化完成的时间上不好掌握。
如果自变量范围和优化类型选择合理,可以较快获得收敛。
关于各种不同的优化方法,请参考附件资料。
这里仅展示采用遗传算法设置以及其在10min内获得的优化结果。
首先,在弹出的对话框中Optimizer选择GeneticAlgorithm,然后点击SetupCalculation按钮分别添加2.4GHz、2.45GHz和2.5GHz的驻波比。
根据之前参数扫描分析的经验,Condition设置为1.3,权值设置为1。
点击Setup进入细节设置,这里可以限定Elapsedtime为10min,在收敛缓慢的时候及时停止优化过程。
优化后的结果:
1、驻波
2、反射系数
3、3D增益方向图
4、增益随频率变化
实践:
RealizedGain与Gain的区别。
四、理想天线阵列
知识关联——天线阵列理论
1、单个天线的方向图较宽,增益和方向性也有限,为了得到更好的方向性,常将多个单元天线组合在一起。
这种由若干个单元天线按一定的方式排列起来的辐射系统称为阵列天线(Antenna Array),构成天线阵的单元称为阵元。
阵元可以是半波振子、微带天线、缝隙天线或者其它形式的天线。
目的:
增加天线的方向性。
2、方向图乘积定理:
天线阵的方向图函数等于阵元的方向图函数乘以阵因子。
前提是阵元特性相同。
3、影响天线阵方向图的原因:
1)阵元的相对位置;2)阵元的激励幅度;3)阵元的激励相位;4)阵元的方向图。
我们从最简单的二元线阵开始:
沿y轴放置,相距为d。
对应Radiation右键,选择AntennaArraySetup设置。
在ArrayType标签页选择RectangularArraySetup,切换到RegularArray,在DistanceBetweenCells中矢量U方向为0,矢量V方向为变量d,初始值为62.5mm。
在Numberofcells中U方向填1,V方向填2。
在ScanDefinition中的UseDifferentialPhase(相位差),U方向和V方向都为0。
由于在正负x方向的波程差为180度,辐射场相互抵消。
出现方向图的零陷。
在正负y方向的波程差为0度,辐射场同相增强,最大增益为5.53dB,增加了约3dB,与理论结果相一致。
当然,这里假设了两个天线间无互耦的理想情况的结果,实际中两个接近的天线间的互耦问题往往是天线设计中需要重点考虑的问题。
五、模型和数据的导出
1、导出模型:
实际加工天线时候,需要将天线的结构用AutoCAD制图。
相比于手动重新绘制CAD图纸,HFSS模型的导出功能大大减少了工作量。
特别是对于平面印刷天线,通过HFSS的模型导出功能可以直接生成加工图纸。
在菜单Modeler中选择Export…
在接下来的输出文件对话框中命名文件,并选择对应的模型格式。
这里对应AutoCAD制图,选择*.dxf,点击保存,生成xoy坐标平面内的图形。
然后,可以通过AutoCAD软件打开和调整。
2、数据的导出
有的时候,需要将仿真数据导出为文本文件进行保存和处理,这时就要用到数据的导出功能。
首先找到对应的结果图,右键打开快捷菜单,选择Export…,然后命名文件并选择*.txt文件。
注意,不能有包含有中文名的路径不然提示出错。
六、脚本(GUI接口)
如果想将HFSS作为计算内核,而从外部用户程序界面自动控制建模过程和启动仿真,那就要用到VBscript功能。
下面以一个例子说明用脚本控制自动建模过程。
空间中建立四个球体,半径为1mm,球心位于
,x取0,1、3、5。
VB脚本程序1.vbs
DimoAnsoftApp
DimoDesktop
DimoProject
DimoDesign
DimoEditor
DimoModule
SetoAnsoftApp=CreateObject("AnsoftHfss.HfssScriptInterface")
SetoDesktop=oAnsoftApp.GetAppDesktop()
oDesktop.RestoreWindow
SetoProject=oDesktop.SetActiveProject("VBscript")
SetoDesign=oProject.SetActiveDesign("HFSSDesign1")
SetoEditor=oDesign.SetActiveEditor("3DModeler")
'变量设置
dimx_c
dimy_c
dimz_c
dimi
'循环语句
fori=0to5
'自动生成坐标
x_c=i
y_c=i*i
z_c=2*i
oEditor.CreateSphereArray("NAME:
SphereParameters","XCenter:
=",x_c&"mm","YCenter:
=",_
y_c&"mm","ZCenter:
=",z_c&"mm","Radius:
=","1mm"),Array("NAME:
Attributes","Name:
=",_
"Sphere"&i,"Flags:
=","","Color:
=","(1281280)","Transparency:
=",0,"PartCoordinateSystem:
=",_
"Global","MaterialValue:
=",""&Chr(34)&"vacuum"&Chr(34)&"","SolveInside:
=",_
true)
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