挑戰(zhàn)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(wěn)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(shù)以及波束形成網(wǎng)絡的設計和評估不準確，在超寬頻的范圍內(nèi)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(yōu)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(yōu)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(jié)構(gòu)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(shù)化的天線模型，幫助用戶快速生成天線單元，并實現(xiàn)單元的優(yōu)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(jié)構(gòu)，基于天線單元快速建立陣列模型，通過網(wǎng)格復用與區(qū)域分解 DDM 技術(shù)，可快速生成全陣列的網(wǎng)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(jié)果高度精準；最新的基于三維部件的陣列天線建模技術(shù)支持非一致單元的陣列排布，可解決由多種單元構(gòu)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)，并對部件進行加密處理，保護天線模型的知識產(chǎn)權(quán)，方便與上下游廠商實現(xiàn)系統(tǒng)性協(xié)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(xié)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(shù)幫助用戶評估外部環(huán)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(jié)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(yōu)化天線放置位置和角度，也可用于大環(huán)境下多天線耦合的場景仿真。

陣列天線單元數(shù)量多，計算規(guī)模大，仿真動輒需要好幾天時間，Ansys HPC高性能計算技術(shù)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(jié)點內(nèi)存和CPU核數(shù)實現(xiàn)超大規(guī)模問題的加速求解。在進行寬帶掃頻和參數(shù)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(fā)設計周期，降低研發(fā)成本。

相關(guān)Ansys軟件/解決方案

HFSS Antenna Toolkit天線模型庫

HFSS 3D Component三維部件技術(shù)

HFSS有限大陣列仿真技術(shù)

FEM、IE、SBR等電磁場求解器技術(shù)

混合算法技術(shù)

場路協(xié)同仿真技術(shù)

HPC高性能計算技術(shù)

審核編輯：劉清