超寬頻多波束天線輻射參數優化設計

挑戰和需求

超寬頻多波束天線設計，需要解決超寬頻工作帶寬下，多波束天線的多個波束交疊電平以及增益的穩定性問題。如果不用仿真軟件，二維大陣列的輻射單元之間的互耦是難以準確評估，陣列的輻射參數以及波束形成網絡的設計和評估不準確，在超寬頻的范圍內設計的部件組裝而成的樣品實測輻射性能無法保證，如果需要改善的話，也難以快速迭代完成。

1710MHz三波束3D輻射方向圖

2200MHz三波束3D輻射方向圖

2690MHz三波束3D輻射方向圖

1710MHz三波束2D輻射方向圖

2200MHz三波束2D輻射方向圖

2690MHz三波束2D輻射方向圖

解決方案

使用Ansys HFSS建立水平6單元，垂直5單元的二維天線陣列模型，通過工程仿真來優化全陣列的輻射性能，通過基于虛擬樣機的快速迭代，使陣列天線設計滿足整機指標性能要求，大大減少了物理樣機的試制、測試和優化迭代成本。

Ansys HFSS 高頻電磁場仿真軟件具有FEM有限元法、IE積分方程法、SBR彈跳射線法等多種求解器算法，軟件界面直觀易用，可精確高效地求解任意三維結構的高頻電磁場問題，是天線仿真設計的標桿工具。

HFSS具備 Antenna Toolkit 天線模型庫，包含近 80 種天線類型，可直接生成全參數化的天線模型，幫助用戶快速生成天線單元，并實現單元的優化設計。

使用HFSS的周期邊界條件和陣列蒙版功能可以針對陣列天線的周期性結構，基于天線單元快速建立陣列模型，通過網格復用與區域分解 DDM 技術，可快速生成全陣列的網格，并對其進行高效精準的求解，考慮單元間的互耦以及陣列的邊緣效應，仿真結果高度精準；最新的基于三維部件的陣列天線建模技術支持非一致單元的陣列排布，可解決由多種單元構成的復雜陣列的快速精確求解。當把天線單元保存成三維部件（3D Component）時，可選擇隱藏部分關鍵結構，并對部件進行加密處理，保護天線模型的知識產權，方便與上下游廠商實現系統性協同仿真。

陣列天線的集成度越來越高，天線與射頻電路之間的相互影響不可忽略，HFSS可仿真射頻前端模塊中的無源和有源電路，將其與陣列天線一起進行場路協同仿真，充分考慮射頻電路對陣列天線輻射性能的影響。

HFSS的混合算法技術幫助用戶評估外部環境和大型載體平臺對陣列天線輻射性能的影響，對電大載體平臺使用積分方程法或彈跳射線法求解器快速仿真，與仿真天線本體的有限元求解器相結合，得到陣列天線安裝在大型平臺上的輻射方向圖的變化，優化天線放置位置和角度，也可用于大環境下多天線耦合的場景仿真。

陣列天線單元數量多，計算規模大，仿真動輒需要好幾天時間，Ansys HPC高性能計算技術幫助用戶極大程度縮減求解時間，提升仿真效率，可利用跨節點內存和CPU核數實現超大規模問題的加速求解。在進行寬帶掃頻和參數掃描時，HPC的分布式多任務并行功能會使仿真效率成倍提升，大大縮短研發設計周期，降低研發成本。

相關Ansys軟件/解決方案

HFSS Antenna Toolkit天線模型庫

HFSS 3D Component三維部件技術

HFSS有限大陣列仿真技術

FEM、IE、SBR等電磁場求解器技術

混合算法技術

場路協同仿真技術

HPC高性能計算技術

審核編輯：劉清