基于HFSS與Designer協(xié)同仿真設(shè)計(jì)和差網(wǎng)絡(luò)

作品概述

HFSS對(duì)和差網(wǎng)絡(luò)或其他復(fù)雜無(wú)源器件設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，雖然可以解決電磁精度問(wèn)題, 但仍面臨很多問(wèn)題，比如在設(shè)計(jì)真實(shí)的3D微波元件需花費(fèi)數(shù)周的時(shí)間。另一方面電路仿真具有很高的速度，可快速仿真出無(wú)源器件的集總電參數(shù)。ANSYS公司提供了一種全新的微波無(wú)源器件設(shè)計(jì)流程：HFSS與Designer協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真——既能夠減少設(shè)計(jì)周期、具有電磁精度、且求解問(wèn)題的規(guī)模不受限制。

關(guān)鍵詞： 協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真、和差網(wǎng)絡(luò)

仿真應(yīng)用背景

單脈沖天線主要用于雷達(dá)或?qū)бD(zhuǎn)置上定位與探測(cè)，它是指通過(guò)單個(gè)回波脈沖就可以獲取出目標(biāo)的全部信息。

單脈沖實(shí)現(xiàn)定向的技術(shù)手段是采用多路接收——使用幾個(gè)獨(dú)立的接收支路來(lái)同時(shí)接收目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)，然后再將反射回來(lái)的信號(hào)的幅度和相位信息進(jìn)行比擬。

基本的定向方法有兩種：比幅定向法和比相定向法。

仿真結(jié)果分析、展示

和差網(wǎng)絡(luò)是單脈沖天線重要組成部分，它是一個(gè)八端口的無(wú)源器件。

發(fā)射端——為單脈沖天線提供和差波束。

接收端——比較幾路波束所接收到的回波信號(hào)，并經(jīng)過(guò)處理得到和差信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)天線伺服機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)天線的距離跟蹤與角度跟蹤。

因此和差網(wǎng)絡(luò)的性能直接影響著雷達(dá)的跟蹤精度及跟蹤距離等重要指標(biāo)。

圖2、和差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

HFSS與Designer協(xié)同仿真與設(shè)計(jì)流程

HFSS與Designer工程建立

在HFSS中分別單獨(dú)建立和差網(wǎng)絡(luò)各部分模型

建立HFSS與Designer間的動(dòng)態(tài)鏈接

在Designer中添加端口以及端口的操作

在Designer中連接和差網(wǎng)絡(luò)各部分元件

在Designer中添加變量，以便于后續(xù)進(jìn)行優(yōu)化

在Designer中設(shè)置端口

在Designer中求解設(shè)置

在Designer中建立和差網(wǎng)絡(luò)完整模型，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

最終在HFSS中進(jìn)行驗(yàn)證：

輸入各端口的反射系數(shù)均低于-20dB。輸出端口反射系數(shù)低于-15dB。和差端口之間的隔離度低于-25dB。

當(dāng)激勵(lì)和端口時(shí)，協(xié)同仿真之后的和差網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部電場(chǎng)分布以及輻射性能圖。

當(dāng)激勵(lì)水平差端口時(shí)，協(xié)同仿真之后的和差網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部電場(chǎng)分布以及輻射性能圖。

當(dāng)激勵(lì)俯仰差端口時(shí)，協(xié)同仿真之后的和差網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部電場(chǎng)分布以及輻射性能圖。

以上結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)和差網(wǎng)絡(luò)成功輻射出良好的和差波束。

小結(jié)

本案例結(jié)合發(fā)表的論文(Zhao J, Hao L, Li H, Tong Z, Li T, Wang H, Hu B, Zhou Y, Li F, Fu C, Li Q. A Novel Metasurface-Based Monopulse Antenna with Improved Sum and Difference Beams Radiation Performance. Micromachines. 2022; 13(11):1927. https://doi.org/10.3390/mi13111927)展示了利用HFSS與Designer聯(lián)合仿真與設(shè)計(jì)一種用于單脈沖天線的和差網(wǎng)絡(luò)。相比于HFSS傳統(tǒng)的全波仿真，協(xié)同仿真計(jì)算一次所用時(shí)間縮短了180倍，而且最終在HFSS中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，所獲得性能指標(biāo)滿足應(yīng)用要求。