天線(xiàn)罩是用來(lái)保護(hù)天線(xiàn)的一種介質(zhì)外殼，使天線(xiàn)避免在各種惡劣環(huán)境條件下可能造成的損壞，但是天線(xiàn)罩的存在也會(huì)影響天線(xiàn)的電性能，包括輻射方向圖、功率傳輸損耗、瞄準(zhǔn)誤差等。隨著ANSYS HFSS 軟件在天饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的普及，針對(duì)天線(xiàn)及其前端饋電網(wǎng)絡(luò)的基于仿真的設(shè)計(jì)流程已經(jīng)日趨成熟。先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段也促進(jìn)射頻模塊不停地向更高性能、更高集成度的方向發(fā)展。隨著天線(xiàn)指標(biāo)的不斷提高，天線(xiàn)罩的電磁設(shè)計(jì)，尤其是天線(xiàn)罩與天線(xiàn)或天線(xiàn)陣的一體化設(shè)計(jì)和聯(lián)合仿真已經(jīng)成為迫切需要解決的課題。

天線(xiàn)罩作為復(fù)雜天線(xiàn)系統(tǒng)的重要組成部分，其電磁設(shè)計(jì)也具有相當(dāng)?shù)碾y度。很多天線(xiàn)罩是電大尺寸與復(fù)雜材料的混合體，同時(shí)，當(dāng)其內(nèi)部為波導(dǎo)裂縫天線(xiàn)陣時(shí)，還需要考慮天線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，其轉(zhuǎn)動(dòng)引起的瞄準(zhǔn)誤差和瞄準(zhǔn)誤差斜率對(duì)計(jì)算精度的要求高，采用全波仿真技術(shù)對(duì)天線(xiàn)陣帶天線(xiàn)罩進(jìn)行整體精確仿真是必要的。其產(chǎn)生的大規(guī)模計(jì)算和大的仿真任務(wù)量需要通過(guò)先進(jìn)的算法及并行求解技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1.新功能3D Component更快實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)罩與天線(xiàn)陣一體化建模

在通常的研發(fā)流程中，天線(xiàn)罩與天線(xiàn)或天線(xiàn)陣往往是不同設(shè)計(jì)小組開(kāi)發(fā)，而在天線(xiàn)罩的電性能研究中，需要將天線(xiàn)或天線(xiàn)陣與天線(xiàn)罩一體化進(jìn)行考慮，才能獲得更為精確且可靠的結(jié)果，因?yàn)橹挥羞@樣才能將復(fù)雜的近場(chǎng)效應(yīng)考慮在內(nèi)。因而，仿真模型的安全傳遞成為了實(shí)際研發(fā)過(guò)程中必須要解決的問(wèn)題。

圖：天線(xiàn)罩與波導(dǎo)裂縫陣模型

HFSS中不斷完善的3D Component功能可以將HFSS仿真模型保存為一個(gè)3D Component，這個(gè)Component中包含了HFSS仿真所需的一切設(shè)置與信息，包括三維結(jié)構(gòu)、材料屬性、端口、邊界條件、網(wǎng)格剖分方式、混合算法設(shè)置等，可以直接用于新的仿真。在最新的HFSS 2016版本中，3D Component增加了全新的加密功能，除了可以通過(guò)密碼保護(hù)模型的安全外，還能夠隱藏模型的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，在3D Component的使用者看來(lái)，就像一個(gè)黑盒子，卻通過(guò)仿真能獲得完整模型的所有性能，從而進(jìn)一步確保了模型傳遞的安全性，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

圖：3D Component加密設(shè)置，可選擇想要隱藏或顯示的結(jié)構(gòu)

本測(cè)試案例中，我們將波導(dǎo)裂縫陣的所有內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)隱藏，僅允許顯示最外面的空氣盒子。

在新的工程文件中，我們分別插入已經(jīng)保存完好的天線(xiàn)罩及波導(dǎo)裂縫陣的3D Component文件，并調(diào)整相對(duì)位置，只需要極簡(jiǎn)單的幾部操作就完成了天線(xiàn)罩與天線(xiàn)陣的一體化模型的建立，并且無(wú)需再進(jìn)行任何材料屬性、端口、邊界條件等設(shè)置，因?yàn)檫@些所有的設(shè)置已經(jīng)隨著3D Component帶到了新的模型中。由于波導(dǎo)裂縫陣的3D Component已經(jīng)被加密并隱藏內(nèi)部細(xì)節(jié)，所以裝配好的模型中僅能看到未被隱藏的空氣盒子。

模型基本信息如下：

天線(xiàn)罩：?jiǎn)螌咏橘|(zhì)罩，高650mm，底面直徑320mm，厚度約2.5mm；

波導(dǎo)縫隙陣：圓形口徑，直徑185mm，四端口饋電；

工作頻段：15GHz。

圖：3D Component裝配好的一體化模型，天線(xiàn)陣內(nèi)部細(xì)節(jié)被完全隱藏

2. FEM-IE混合算法減少求解空間

電大尺寸介質(zhì)天線(xiàn)罩在仿真算法方面，HFSS的FEM-IE混合算法是最佳的選擇。以PO、UTD為代表的高頻漸進(jìn)算法僅能對(duì)純金屬的電大尺寸問(wèn)題有效，無(wú)法仿真具有介質(zhì)結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)罩，加之電磁波束多次反射導(dǎo)致在天線(xiàn)罩內(nèi)部的路徑復(fù)雜，傳統(tǒng)基于射線(xiàn)理論的高頻算法很難處理；單純的矩量法在解算多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)很難生成格林函數(shù)，且難以解算具有任意三維曲面的介質(zhì)結(jié)構(gòu)及波導(dǎo)裂縫陣這樣的內(nèi)腔問(wèn)題；有限元法非常擅長(zhǎng)于任意三維結(jié)構(gòu)的求解及天線(xiàn)陣問(wèn)題，但由于求解空間過(guò)大而帶來(lái)的巨大運(yùn)算量會(huì)降低仿真效率。

與單一的全波有限元或矩量法相比，HFSS中混合了有限元和積分方程兩種全波算法的混合算法能夠減小求解空間尺寸，降低運(yùn)算量，減少時(shí)間域資源的消耗。HFSS中通過(guò)FE-BI邊界技術(shù)，在邊界內(nèi)部采用有限元算法，邊界表面采用積分方程算法，天線(xiàn)罩與天線(xiàn)之間大量的空氣區(qū)域可從有限元求解域中去除，并且能夠與天線(xiàn)完全共形。

圖 ：FE-BI邊界(左)與有限元輻射邊界(右)相比能夠顯著減小求解空間

本測(cè)試案例中，設(shè)置3D Component初期，在各自的模型中已經(jīng)設(shè)置了與天線(xiàn)罩及波導(dǎo)裂縫陣共形的FE-BI邊界，模型裝配時(shí)將兩個(gè)邊界同時(shí)引入到了新的模型中。

圖：HFSS 2016中的IE算法增加了ACA與MLFMM自動(dòng)選擇的選項(xiàng)

HFSS中IE算法具有ACA（自適應(yīng)交叉近似）和MLFMM（多層快速多極子）兩種加速算法，兩者各有擅長(zhǎng)計(jì)算的問(wèn)題類(lèi)型。在最新的HFSS 2016版本中，HFSS除了可以單獨(dú)選擇采用何種加速算法外，新加入了Auto選項(xiàng)，由軟件根據(jù)模型特點(diǎn)智能選擇采用何種加速算法。

HFSS的HPC支持混合算法并行，從上一個(gè)版本開(kāi)始，HFSS的HPC的設(shè)置進(jìn)一步智能化，使用者只需要指定可用的CPU內(nèi)核數(shù)和內(nèi)存占用比，軟件即可以根據(jù)仿真模型的特點(diǎn)，自動(dòng)選擇采用何種HPC并行策略。

3. 3D Component網(wǎng)格復(fù)用功能加速參數(shù)掃描效率

天線(xiàn)罩的電性能計(jì)算中非常重要的一項(xiàng)是需要考慮天線(xiàn)罩不同傾斜角度對(duì)電性能的影響，對(duì)于以上基于3D Component裝配完成的模型，可以很容易地將天線(xiàn)罩部分進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并將旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置為變量，從而考察不同角度下的電性能。

在HFSS 2016中，基于3D Component建立的模型，具備網(wǎng)格復(fù)用功能，即在不改變模型結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，任何針對(duì)Component的平移、旋轉(zhuǎn)等改變位置的操作，可以直接復(fù)用此前已經(jīng)剖分完成的網(wǎng)格，從而極大提升參數(shù)掃描的效率。

圖：天線(xiàn)罩不同傾斜角度仿真時(shí)間

由于采用了混合算法及并行求解，本案例在HP Z840工作站（詳細(xì)配置見(jiàn)后）上求解的速度非常快，求解信息如下：

· 初始0 deg共迭代四步，總耗時(shí)2小時(shí)24分鐘；

· 此后每個(gè)角度耗時(shí)40多分鐘（由于此后計(jì)算直接利用0 deg的剖分好的網(wǎng)格，節(jié)省了大量時(shí)間）；

· 網(wǎng)格量：21.8萬(wàn)FEM四面體網(wǎng)格+12.7萬(wàn)IE三角面元網(wǎng)格；

· 最大內(nèi)存消耗：約為24GB；

· 16個(gè)角度值（0~30deg，2deg步進(jìn)）總耗時(shí)：13小時(shí)47分鐘。

圖：天線(xiàn)罩傾斜2 deg狀態(tài)下的求解時(shí)間及內(nèi)存消耗統(tǒng)計(jì)

4. 仿真結(jié)果

圖：天線(xiàn)罩在不同傾斜角度的方向圖

以上分別是天線(xiàn)罩在傾斜0、10、20、30 deg時(shí)的方向圖仿真結(jié)果，可以明顯看出方向圖主瓣、旁瓣的由于天線(xiàn)罩傾斜引起的改變。

在最新的HFSS 2016版本中，新增了將2D方向圖與模型疊加顯示的功能，使用者可以更直觀地展示仿真結(jié)果。

圖：天線(xiàn)罩在不同傾斜角度的三維方向圖

ANSYS 17.0 測(cè)試報(bào)告系列包含：