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贴片天线的HFSS和CST仿真对比

2022-01-12 来源：微波射频网作者：94巨蟹座少年字号：大中小

学个Antenna是以天线仿真和调试为主，理论原理为辅的干货天线技术专栏，包括天线入门知识以及各类天线的原理简介、仿真软件建模、设计、调试过程及思路。如有想看到的内容或技术问题，可以在文尾写下留言。

摘要：

目前常用的电磁仿真软件有HFSS、CST、FEKO等，HFSS软件仿真电小物体相对而言要比CST更精确，CST对宽带天线的求解速度则比HFSS更胜一筹！因为CST是基于时域有限积分法，只需要输入一个时域脉冲就可以仿真宽带频谱结果。

本文使用的软件为CST2018和AnsysEM 18.2

简单介绍

· HFSS里内置的求解算法目前有：有限元算法（FEM），积分方程算法（IE），高频算法（SBR+ Solver），混合算法（FEBI，IE-Region），域分解算法（DDM，FA-DDM），时域算法（Transient），特征模算法（CMA），本征模求解器（Eigenmode solver）等
· https://zhuanlan.zhihu.com/p/11389787

大部分人其实仿真简单的天线和滤波器等，使用HFSS的有限元算法和软件自身的自适应网格剖分和加密技术，设置好收敛的Max Mag Delta S（默认0.02）就足以满足其仿真需求。

对于软件的使用和其他算法求解器的设置这里就不做过多赘述了。

大部分工程师在使用HFSS软件时都会发现，其对电脑的配置要求较高，尤其是内存。而且电大尺寸、超宽带的仿真要求的算力更是难以满足。

CST恰恰弥补了HFSS仿真超宽带的短板，但是它在小尺寸、圆形等结构上的仿真精度不高。如下图所示，HFSS在边缘部分特别是圆形结构附件的三角网格剖分的特别细腻，而CST的六面体网格的剖分过于规整。

虽然缝隙和圆形等结构附近的剖分虽然可以采用CST的局部网格加密Local Mesh等，但初学者可能还是HFSS的傻瓜式自适应剖分比较人性化。

· CST软件采用了电磁场全波时域仿真算法―有限积分法（FIT），对麦克斯韦积分方程进行离散化并迭代求解。由于其所采用的时域算法FIT，只须一步步迭代求解，不用进行矩阵求逆。此内在特性决定了，其适合的仿真结构涵盖电小、电中和电大，均可取得良好的表现。体矩量法、有限元法和有限积分法三者的计算量（体现在CPU 时间和所需内存）·分别正比于所分网格数N的3次、2次和1.1~1.2次方，可以看出有限积分法对于算力的要求要低于HFSS的有限元法。

对于CST软件，大家常用的也是Time Domain Solver，除此之外，它还有频域求解器、本征模求解器、积分方程法、渐进计算、多层介质算法。

下一节我们会对两种软件的进行仿真精度对比，主要是看HFSS的FEM+自动网格剖分加密仿真和CST的Time Domain Solver和Frequency Domain Solver。

脚本构建背馈式贴片天线

常见的矩形贴片天线的馈电方式有侧馈电和背馈式等，本次推文采用背馈电式进行仿真分析。

先选定基板为0.762mm厚度的Rogers4350B，谐振频率为5.8GHz。(左右滑动可看完整公式）：

经过上面公式计算可得贴片天线的宽度和长度分别为16.9mm和13.3mm。

经过上两次推文HFSS-API入门第一弹：画个Box和HFSS-API入门第二弹：基本形状和操作的教学，现在可以直接撸一个背馈式贴片天线的HFSS vbs脚本（下载链接见文末，examples文件夹内）：

1 clear;clc;

2 path = mfilename('fullpath');

3 i=strfind(path,'\');

4 path=path(1:i(end));

5 cd(path);

6 addpath(genpath(strcat(path,'hfssapi-by-Jianhui Huang')));

7 try

8 % 填写路径

9 % tmpPrjFile：生成的aedt或者hfss(安装hfss15以下的后缀名为.hfss)项目文件的路径名

10 % tmpScriptFile：生成的vbs脚本文件的路径名

11 tmpPrjFile = 'F:\vbsScript\Patch_Probe_Feed.aedt';

12 tmpScriptFile = 'F:\vbsScript\auto_code.vbs';

14 % hfssExePath：HFSS软件的路径

15 hfssExePath = 'D:\software\HFSS15\AnsysEM18.2\Win64\ansysedt.exe';

17 % 创建一个可读写vbs脚本文件.

18 fid = fopen(tmpScriptFile, 'wt');

20 %创建一个新的HFSS项目并插入一个新的设计文件.

21 hfssNewProject(fid);

22 Design_name='element';

23 hfssInsertDesign(fid, Design_name);

25 Patch_W=16.9;Patch_L=13.3;

26 Sub_W=35;Sub_L=30;Sub_H=0.762;copper_H=0.035;

27 Probe_dy=-4;Probe_dx=0;

28 Inner_R=0.5;Diel_R=exp(50/60*sqrt(1))*Inner_R;Outer_R=1.5;L0=2;

29 % hfssVariableInsert(fid,DesignName,variableName, value, units,flag)

30 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Patch_W', Patch_W, 'mm',1);

31 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Patch_L', Patch_L, 'mm',1);

32 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Sub_W', Sub_W, 'mm',1);

33 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Sub_L', Sub_L, 'mm',1);

34 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Sub_H', Sub_H, 'mm',1);

35 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'copper_H', copper_H, 'mm',1);

36 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Probe_dx', Probe_dx, 'mm',1);

37 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Probe_dy', Probe_dy, 'mm',1);

38 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'L0', L0, 'mm',1);

39 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Inner_R', Inner_R, 'mm',1);

40 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Diel_R', 'exp(50/60*sqrt(1))*Inner_R', 'mm',2);

41 hfssVariableInsert(fid,Design_name,'Outer_R', Outer_R, 'mm',1);

43 % 画基板

44 % hfssBox(fid, BoxName, Start, Size, Units, Color, Material, Transparency, flag)

45 hfssBox(fid, 'Sub1', {'-Sub_W/2', '-Sub_L/2', '0mm'}, {'Sub_W', 'Sub_L', 'Sub_H'}, 'mm',...

46 "(0 128 128)", "Rogers RO4350 (tm)", 0, 2);

47 % 画贴片

48 hfssBox(fid, 'Patch', {'-Patch_W/2', '-Patch_L/2', 'Sub_H'}, {'Patch_W', 'Patch_L', 'copper_H'}, 'mm',...

49 "(255 128 0)", "copper", 0, 2);

50 % 画GND

51 hfssBox(fid, 'GND', {'-Sub_W/2', '-Sub_L/2', '0mm'}, {'Sub_W', 'Sub_L', '-copper_H'}, 'mm',...

52 "(128 128 128)", "copper", 0, 2);

54 % 画同轴部分

55 % 画同轴内芯

56 % hfssCylinder(fid, CylinderName, Axis, Center, Radius, Height, Units, Color, Material, Transparency, flag)

57 hfssCylinder(fid, 'Inner', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', 'Sub_H+copper_H'}, 'Inner_R','-(Sub_H+copper_H*2+L0)', 'mm',...

58 "(128 128 128)", "copper", 0, 2);

59 hfssCylinder(fid, 'Diel', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '-copper_H'}, 'Diel_R','-L0', 'mm',...

60 "(0 128 128)", "vacuum", 0, 2);

61 hfssCylinder(fid, 'Outer', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '-copper_H'}, 'Outer_R','-L0', 'mm',...

62 "(128 128 128)", "copper", 0, 2);

64 % 地板开过孔

65 hfssCylinder(fid, 'GND_hole', 'Z', {'Probe_dx', 'Probe_dy', '0mm'}, 'Diel_R','-copper_H', 'mm',...

66 "(255 128 0)", "vacuum", 0, 2);

68 % 布尔操作

69 hfssSubtract(fid, {'Outer'}, {'Diel'}, true);

70 hfssSubtract(fid, {'Sub1','Patch','Diel'}, {'Inner'}, true);

71 hfssSubtract(fid, {'GND'}, {'GND_hole'}, false);

73 % 保存项目文件到指定路径

74 hfssSaveProject(fid, tmpPrjFile,1);

76 % Close the HFSS Script File.

77 fclose(fid);

78 disp('vbs脚本已生成！');

79catch

80 disp('程序出现异常！');

81 fclose(fid);

82end

上面的代码按个人情况按图索骥地修改tmpPrjFile，tmpScriptFile ,hfssExePath这几个路径和Design_name，将编写的MATLAB生成vbs脚本的.m文件与下载的hfssapi-by-Jianhui Huang放在同一个总文件夹内，点击运行即可生成vbs脚本(在自行赋值的tmpScriptFile的这个路径下)。vbs脚本可以直接点击运行，或者在HFSS软件中Run Script。建模完成后，自行添加Region，设置Radiation边界条件和Analysis的Setup，即可进行仿真(后续boundary和analysis同步上来后可以在脚本中就建立好)。