ANSYS HFSS 中的相控天线阵列仿真方法

概述

相控天线阵列系统广泛使用，从国防雷达应用到商业 5G 应用。设计这些天线阵列涉及复杂的数学运算，需要全波仿真。Ansys HFSS 全场 3D 电磁仿真软件可以在合理的时间内以较低的计算成本仿真复杂的相控阵天线系统，同时考虑复杂激励、环境（即附近的天线）和平台对其性能的影响。本博客介绍了可用于有效仿真相控天线阵列的不同方法。以下是不同仿真方法的简要概述，视频链接中提供了完整的演示。

 

 

ANSYS HFSS 提供 4 种不同的相控天线阵列仿真方法：

1） 晶胞-无限阵列

此方法是天线阵列分析的有用工具，但是，如果使用不当，分析可能会产生不正确的结果。HFSS 单数组单元解通常不考虑单元的假设邻居的影响。它假设所有元素都是相同的，并且元素模式不依赖于数组中的位置，如果这些影响很大，那么此方法将无效。

在这种方法中，HFSS 对具有初级/次级或晶格对边界的晶胞进行网格划分/仿真，以强制执行无限周期性。一旦模拟了单元件辐射方向图，HFSS 就会以数学方式计算阵列因子，并得到一个忽略边缘效应的近似有限阵列方向图。有关更多信息，请访问以下链接：ANSYS HFSS: Array Analysis Using The Array Factor Calculation 

2） 显式有限数组

显式有限数组仿真方法是分析整个数组的传统方法。HFSS 对整个结构进行网格划分/仿真，包括边缘效应、非均匀数组单元和单元的任何几何排列。对于大型数组，网格划分过程会很复杂，并且需要大量的计算资源。

3） 有限数组域分解

在这种方法 （FADDM） 中，HFSS 对基本单元进行网格划分/仿真，并将网格复制到其他阵列单元（无需进一步的自适应网格划分）。这大大减少了网格划分时间和内存占用，从而能够在相同的硬件上模拟更大的阵列。网格周期性增强了阵列的周期性，从而提高了仿真精度。还实施了域分解 （DDM） 来分布网格并访问整个网络中的分布式 RAM。DDM 通过分配 RAM 在多台计算机上分配模型的网格/解决方案，并求解模型的完整行为，就像在单台计算机上运行

4） 3D 组件阵列

该方法 （CADDM） 利用基于域分解的高效有限元技术对包含不相同晶胞的有限半周期结构进行建模，以提高灵活性。与 FADDM 相比，该方法中的基本单元必须定义为 3D 分量。与模拟 FADDM 相比，这种模拟技术可实现更快的模拟和更少的内存使用，并且可以利用分布式计算资源。整个工作流程首先将 3D 组件导入 HFSS，表示模型中的不同单元。然后创建数组，就像从基本单元创建 Finite Array 一样。但是，此方法列出了所有基本单元组件，并允许在用户定义的数组维度内对这些基本单元进行任何排列。

要对不相同的基本单元使用 3D 组件有限数组工作流，基本单元必须满足以下要求：

• 晶胞必须定义为 3D 分量
• 晶胞边界框的尺寸必须相同
• 必须在基本单元的表面上定义适当的晶格对和边界条件

 

图 1：不同 Array 分析方法的比较