ANSYS 17.0测试报告：电大尺寸天线罩与波导裂缝阵一体化仿真

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天线罩是用来保护天线的一种介质外壳，使天线避免在各种恶劣环境条件下可能造成的损坏，但是天线罩的存在也会影响天线的电性能，包括辐射方向图、功率传输损耗、瞄准误差等。随着ANSYS HFSS 软件在天馈系统设计中的普及，针对天线及其前端馈电网络的基于仿真的设计流程已经日趋成熟。先进的设计手段也促进射频模块不停地向更高性能、更高集成度的方向发展。随着天线指标的不断提高，天线罩的电磁设计，尤其是天线罩与天线或天线阵的一体化设计和联合仿真已经成为迫切需要解决的课题。
天线罩作为复杂天线系统的重要组成部分，其电磁设计也具有相当的难度。很多天线罩是电大尺寸与复杂材料的混合体，同时，当其内部为波导裂缝天线阵时，还需要考虑天线的转动角度，其转动引起的瞄准误差和瞄准误差斜率对计算精度的要求高，采用全波仿真技术对天线阵带天线罩进行整体精确仿真是必要的。其产生的大规模计算和大的仿真任务量需要通过先进的算法及并行求解技术实现。
1.新功能3D Component更快实现天线罩与天线阵一体化建模
在通常的研发流程中，天线罩与天线或天线阵往往是不同设计小组开发，而在天线罩的电性能研究中，需要将天线或天线阵与天线罩一体化进行考虑，才能获得更为精确且可靠的结果，因为只有这样才能将复杂的近场效应考虑在内。因而，仿真模型的安全传递成为了实际研发过程中必须要解决的问题。

图：天线罩与波导裂缝阵模型

HFSS中不断完善的3D Component功能可以将HFSS仿真模型保存为一个3D Component，这个Component中包含了HFSS仿真所需的一切设置与信息，包括三维结构、材料属性、端口、边界条件、网格剖分方式、混合算法设置等，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，除了可以通过密码保护模型的安全外，还能够隐藏模型的结构细节，在3D Component的使用者看来，就像一个黑盒子，却通过仿真能获得完整模型的所有性能，从而进一步确保了模型传递的安全性，保护知识产权。
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图：3D Component加密设置，可选择想要隐藏或显示的结构

本测试案例中，我们将波导裂缝阵的所有内部结构细节隐藏，仅允许显示最外面的空气盒子。
- E9 V, _! p: I: s在新的工程文件中，我们分别插入已经保存完好的天线罩及波导裂缝阵的3D Component文件，并调整相对位置，只需要极简单的几部操作就完成了天线罩与天线阵的一体化模型的建立，并且无需再进行任何材料属性、端口、边界条件等设置，因为这些所有的设置已经随着3D Component带到了新的模型中。由于波导裂缝阵的3D Component已经被加密并隐藏内部细节，所以装配好的模型中仅能看到未被隐藏的空气盒子。
模型基本信息如下：
/ H5 O0 b8 k# E- Q  }! ]: m天线罩：单层介质罩，高650mm，底面直径320mm，厚度约2.5mm；
波导缝隙阵：圆形口径，直径185mm，四端口馈电；
/ x. a! |4 O: T工作频段：15GHz。

图：3D Component装配好的一体化模型，天线阵内部细节被完全隐藏

2. FEM-IE混合算法减少求解空间
- E* t( t5 S+ v6 q! O$ z电大尺寸介质天线罩在仿真算法方面，HFSS的FEM-IE混合算法是最佳的选择。以PO、UTD为代表的高频渐进算法仅能对纯金属的电大尺寸问题有效，无法仿真具有介质结构的天线罩，加之电磁波束多次反射导致在天线罩内部的路径复杂，传统基于射线理论的高频算法很难处理；单纯的矩量法在解算多层介质结构时很难生成格林函数，且难以解算具有任意三维曲面的介质结构及波导裂缝阵这样的内腔问题；有限元法非常擅长于任意三维结构的求解及天线阵问题，但由于求解空间过大而带来的巨大运算量会降低仿真效率。
与单一的全波有限元或矩量法相比，HFSS中混合了有限元和积分方程两种全波算法的混合算法能够减小求解空间尺寸，降低运算量，减少时间域资源的消耗。HFSS中通过FE-BI边界技术，在边界内部采用有限元算法，边界表面采用积分方程算法，天线罩与天线之间大量的空气区域可从有限元求解域中去除，并且能够与天线完全共形。
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图 ：FE-BI边界(左)与有限元辐射边界(右)相比能够显著减小求解空间

本测试案例中，设置3D Component初期，在各自的模型中已经设置了与天线罩及波导裂缝阵共形的FE-BI边界，模型装配时将两个边界同时引入到了新的模型中。

图：HFSS 2016中的IE算法增加了ACA与MLFMM自动选择的选项

HFSS中IE算法具有ACA（自适应交叉近似）和MLFMM（多层快速多极子）两种加速算法，两者各有擅长计算的问题类型。在最新的HFSS 2016版本中，HFSS除了可以单独选择采用何种加速算法外，新加入了Auto选项，由软件根据模型特点智能选择采用何种加速算法。
% _/ X0 g( n; S; Q6 OHFSS的HPC支持混合算法并行，从上一个版本开始，HFSS的HPC的设置进一步智能化，使用者只需要指定可用的CPU内核数和内存占用比，软件即可以根据仿真模型的特点，自动选择采用何种HPC并行策略。
/ W0 W0 U/ u5 ~  ?, m- X3. 3D Component网格复用功能加速参数扫描效率
3 L0 f0 [- B3 D7 Y; I3 [: K+ }: i& c天线罩的电性能计算中非常重要的一项是需要考虑天线罩不同倾斜角度对电性能的影响，对于以上基于3D Component装配完成的模型，可以很容易地将天线罩部分进行旋转，并将旋转角度设置为变量，从而考察不同角度下的电性能。
! w- l: i) o) G$ r  q' n! u在HFSS 2016中，基于3D Component建立的模型，具备网格复用功能，即在不改变模型结构尺寸的情况下，任何针对Component的平移、旋转等改变位置的操作，可以直接复用此前已经剖分完成的网格，从而极大提升参数扫描的效率。
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图：天线罩不同倾斜角度仿真时间

由于采用了混合算法及并行求解，本案例在HP Z840工作站（详细配置见后）上求解的速度非常快，求解信息如下：
· 初始0 deg共迭代四步，总耗时2小时24分钟；
· 此后每个角度耗时40多分钟（由于此后计算直接利用0 deg的剖分好的网格，节省了大量时间）；
; u$ y! n4 ^. l$ D, _' z· 网格量：21.8万FEM四面体网格+12.7万IE三角面元网格；
1 j  m8 h3 a* O5 Y' P) D- w' D9 p· 最大内存消耗：约为24GB；
" X! R( f) ^5 ~7 H, \0 ^# f0 T6 ^· 16个角度值（0~30deg，2deg步进）总耗时：13小时47分钟。

图：天线罩倾斜2 deg状态下的求解时间及内存消耗统计

4. 仿真结果
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图：天线罩在不同倾斜角度的方向图

以上分别是天线罩在倾斜0、10、20、30 deg时的方向图仿真结果，可以明显看出方向图主瓣、旁瓣的由于天线罩倾斜引起的改变。
在最新的HFSS 2016版本中，新增了将2D方向图与模型叠加显示的功能，使用者可以更直观地展示仿真结果。
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图：天线罩在不同倾斜角度的三维方向图

ANSYS 17.0 测试报告系列包含：
流体软件：流体新功能介绍与测试
结构软件：ANSYS 17.0 MBU测试报告
/ u  B" b8 F3 O0 M低频软件：
· 时间分解算法加速性能测试报告
3 F9 T9 f: R7 G6 X0 t* O4 T· Maxwell 2016 测试功能：ECE 模型
高频软件：
· HFSS 17.0 测试-天线罩（3D Component、混合算法)
4 C) m1 c0 i" a7 ~5 @· HFSS 17.0 测试-反射面天线（FEM-IE-PO混合算法)
· HFSS 3D Layout用户手册

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HFSS是单独软件还是集成到了ANSYS 17.0里面了

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