基于HFSS与Designer协同仿真设计和差网络

作品概述

HFSS对和差网络或其他复杂无源器件设计技术已经非常成熟，虽然可以解决电磁精度问题, 但仍面临很多问题，比如在设计真实的3D微波元件需花费数周的时间。另一方面电路仿真具有很高的速度，可快速仿真出无源器件的集总电参数。ANSYS公司提供了一种全新的微波无源器件设计流程：HFSS与Designer协同设计与仿真——既能够减少设计周期、具有电磁精度、且求解问题的规模不受限制。

关键词： 协同设计与仿真、和差网络

仿真应用背景

单脉冲天线主要用于雷达或导引转置上定位与探测，它是指通过单个回波脉冲就可以获取出目标的全部信息。

单脉冲实现定向的技术手段是采用多路接收——使用几个独立的接收支路来同时接收目标反射回来的信号，然后再将反射回来的信号的幅度和相位信息进行比拟。

基本的定向方法有两种：比幅定向法和比相定向法。

仿真结果分析、展示

和差网络是单脉冲天线重要组成部分，它是一个八端口的无源器件。

发射端——为单脉冲天线提供和差波束。

接收端——比较几路波束所接收到的回波信号，并经过处理得到和差信号，然后驱动天线伺服机构，实现天线的距离跟踪与角度跟踪。

因此和差网络的性能直接影响着雷达的跟踪精度及跟踪距离等重要指标。

图2、和差网络结构示意图

HFSS与Designer协同仿真与设计流程

HFSS与Designer工程建立

在HFSS中分别单独建立和差网络各部分模型

建立HFSS与Designer间的动态链接

在Designer中添加端口以及端口的操作

在Designer中连接和差网络各部分元件

在Designer中添加变量，以便于后续进行优化

在Designer中设置端口

在Designer中求解设置

在Designer中建立和差网络完整模型，进行优化设计

最终在HFSS中进行验证：

输入各端口的反射系数均低于-20dB。输出端口反射系数低于-15dB。和差端口之间的隔离度低于-25dB。

当激励和端口时，协同仿真之后的和差网络内部电场分布以及辐射性能图。

当激励水平差端口时，协同仿真之后的和差网络内部电场分布以及辐射性能图。

当激励俯仰差端口时，协同仿真之后的和差网络内部电场分布以及辐射性能图。

以上结果表明，所设计和差网络成功辐射出良好的和差波束。

小结

本案例结合发表的论文(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与Designer联合仿真与设计一种用于单脉冲天线的和差网络。相比于HFSS传统的全波仿真，协同仿真计算一次所用时间缩短了180倍，而且最终在HFSS中进行了仿真验证，所获得性能指标满足应用要求。

审核编辑：汤梓红