超宽频多波束天线辐射参数优化设计

挑战和需求

超宽频多波束天线设计，需要解决超宽频工作带宽下，多波束天线的多个波束交叠电平以及增益的稳定性问题。如果不用仿真软件，二维大阵列的辐射单元之间的互耦是难以准确评估，阵列的辐射参数以及波束形成网络的设计和评估不准确，在超宽频的范围内设计的部件组装而成的样品实测辐射性能无法保证，如果需要改善的话，也难以快速迭代完成。

1710MHz三波束3D辐射方向图

2200MHz三波束3D辐射方向图

2690MHz三波束3D辐射方向图

1710MHz三波束2D辐射方向图

2200MHz三波束2D辐射方向图

2690MHz三波束2D辐射方向图

解决方案

使用Ansys HFSS建立水平6单元，垂直5单元的二维天线阵列模型，通过工程仿真来优化全阵列的辐射性能，通过基于虚拟样机的快速迭代，使阵列天线设计满足整机指标性能要求，大大减少了物理样机的试制、测试和优化迭代成本。

Ansys HFSS 高频电磁场仿真软件具有FEM有限元法、IE积分方程法、SBR弹跳射线法等多种求解器算法，软件界面直观易用，可精确高效地求解任意三维结构的高频电磁场问题，是天线仿真设计的标杆工具。

HFSS具备 Antenna Toolkit 天线模型库，包含近 80 种天线类型，可直接生成全参数化的天线模型，帮助用户快速生成天线单元，并实现单元的优化设计。

使用HFSS的周期边界条件和阵列蒙版功能可以针对阵列天线的周期性结构，基于天线单元快速建立阵列模型，通过网格复用与区域分解 DDM 技术，可快速生成全阵列的网格，并对其进行高效精准的求解，考虑单元间的互耦以及阵列的边缘效应，仿真结果高度精准；最新的基于三维部件的阵列天线建模技术支持非一致单元的阵列排布，可解决由多种单元构成的复杂阵列的快速精确求解。当把天线单元保存成三维部件（3D Component）时，可选择隐藏部分关键结构，并对部件进行加密处理，保护天线模型的知识产权，方便与上下游厂商实现系统性协同仿真。

阵列天线的集成度越来越高，天线与射频电路之间的相互影响不可忽略，HFSS可仿真射频前端模块中的无源和有源电路，将其与阵列天线一起进行场路协同仿真，充分考虑射频电路对阵列天线辐射性能的影响。

HFSS的混合算法技术帮助用户评估外部环境和大型载体平台对阵列天线辐射性能的影响，对电大载体平台使用积分方程法或弹跳射线法求解器快速仿真，与仿真天线本体的有限元求解器相结合，得到阵列天线安装在大型平台上的辐射方向图的变化，优化天线放置位置和角度，也可用于大环境下多天线耦合的场景仿真。

阵列天线单元数量多，计算规模大，仿真动辄需要好几天时间，Ansys HPC高性能计算技术帮助用户极大程度缩减求解时间，提升仿真效率，可利用跨节点内存和CPU核数实现超大规模问题的加速求解。在进行宽带扫频和参数扫描时，HPC的分布式多任务并行功能会使仿真效率成倍提升，大大缩短研发设计周期，降低研发成本。

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审核编辑：刘清