天线的HFSS和CST仿真介绍与对比-电子发烧友网

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

0 1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/113897875

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威廉希尔官方网站，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。

0 2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）：

clear;clc;path = mfilename（‘fullpath’）;i=strfind（path，‘’）;path=path（1:i（end））;cd（path）;addpath（genpath（strcat（path，‘hfssapi-by-Jianhui Huang’）））;try % 填写路径 % 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 % tmpScriptFile：生成的vbs脚本文件的路径名 tmpPrjFile = ‘F:vbsScriptPatch_Probe_Feed.aedt’; tmpScriptFile = ‘F:vbsScriptauto_code.vbs’;

% hfssExePath：HFSS软件的路径 hfssExePath = ‘D:softwareHFSS15AnsysEM18.2Win64ansysedt.exe’;

% 创建一个可读写vbs脚本文件。 fid = fopen（tmpScriptFile， ‘wt’）;

%创建一个新的HFSS项目并插入一个新的设计文件。 hfssNewProject（fid）; Design_name=‘element’; hfssInsertDesign（fid， Design_name）; Patch_W=16.9;Patch_L=13.3; Sub_W=35;Sub_L=30;Sub_H=0.762;copper_H=0.035; Probe_dy=-4;Probe_dx=0; Inner_R=0.5;Diel_R=exp（50/60*sqrt（1））*Inner_R;Outer_R=1.5;L0=2; % hfssVariableInsert（fid，DesignName，variableName， value， units，flag） hfssVariableInsert（fid，Design_name，‘Patch_W’， Patch_W， ‘mm’，1）; hfssVariableInsert（fid，Design_name，‘Patch_L’， Patch_L， ‘mm’，1）; hfssVariableInsert（fid，Design_name，‘Sub_W’， Sub_W， ‘mm’，1）; hfssVariableInsert（fid，Design_name，‘Sub_L’， Sub_L， ‘mm’，1）; hfssVariableInsert（fid，Design_name，‘Sub_H’， Sub_H， ‘mm’，1）;

hfssVariableInsert（fid，Design_name，‘copper_H’， copper_H， ‘mm’，1）; hfssVariableInsert（fid，Design_name，‘Probe_dx’， Probe_dx， ‘mm’，1）; hfssVariableInsert（fid，Design_name，‘Probe_dy’， Probe_dy， ‘mm’，1）; hfssVariableInsert（fid，Design_name，‘L0’， L0， ‘mm’，1）; hfssVariableInsert（fid，Design_name，‘Inner_R’， Inner_R， ‘mm’，1）; hfssVariableInsert（fid，Design_name，‘Diel_R’， ‘exp（50/60*sqrt（1））*Inner_R’， ‘mm’，2）; hfssVariableInsert（fid，Design_name，‘Outer_R’， Outer_R， ‘mm’，1）; % 画基板 % hfssBox（fid， BoxName， Start， Size， Units， Color， Material， Transparency， flag） hfssBox（fid， ‘Sub1’， {‘-Sub_W/2’， ‘-Sub_L/2’， ‘0mm’}， {‘Sub_W’， ‘Sub_L’， ‘Sub_H’}， ‘mm’，... “（0 128 128）”， “Rogers RO4350 （tm）”， 0， 2）;

% 画贴片 hfssBox（fid， ‘Patch’， {‘-Patch_W/2’， ‘-Patch_L/2’， ‘Sub_H’}， {‘Patch_W’， ‘Patch_L’， ‘copper_H’}， ‘mm’，... “（255 128 0）”， “copper”， 0， 2）; % 画GND hfssBox（fid， ‘GND’， {‘-Sub_W/2’， ‘-Sub_L/2’， ‘0mm’}， {‘Sub_W’， ‘Sub_L’， ‘-copper_H’}， ‘mm’，... “（128 128 128）”， “copper”， 0， 2）;

% 画同轴部分 % 画同轴内芯 % hfssCylinder（fid， CylinderName， Axis， Center， Radius， Height， Units， Color， Material， Transparency， flag） hfssCylinder（fid， ‘Inner’， ‘Z’， {‘Probe_dx’， ‘Probe_dy’， ‘Sub_H+copper_H’}， ‘Inner_R’，‘-（Sub_H+copper_H*2+L0）’， ‘mm’，... “（128 128 128）”， “copper”， 0， 2）;

hfssCylinder（fid， ‘Diel’， ‘Z’， {‘Probe_dx’， ‘Probe_dy’， ‘-copper_H’}， ‘Diel_R’，‘-L0’， ‘mm’，... “（0 128 128）”， “vacuum”， 0， 2）; hfssCylinder（fid， ‘Outer’， ‘Z’， {‘Probe_dx’， ‘Probe_dy’， ‘-copper_H’}， ‘Outer_R’，‘-L0’， ‘mm’，... “（128 128 128）”， “copper”， 0， 2）; % 地板开过孔 hfssCylinder（fid， ‘GND_hole’， ‘Z’， {‘Probe_dx’， ‘Probe_dy’， ‘0mm’}， ‘Diel_R’，‘-copper_H’， ‘mm’，... “（255 128 0）”， “vacuum”， 0， 2）;

% 布尔操作 hfssSubtract（fid， {‘Outer’}， {‘Diel’}， true）; hfssSubtract（fid， {‘Sub1’，‘Patch’，‘Diel’}， {‘Inner’}， true）; hfssSubtract（fid， {‘GND’}， {‘GND_hole’}， false）;

% 保存项目文件到指定路径 hfssSaveProject（fid， tmpPrjFile，1）;

% Close the HFSS Script File. fclose（fid）; disp（‘vbs脚本已生成！’）;catch disp（‘程序出现异常！’）; fclose（fid）;end

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）。

Analysis设置

此时仿真结果可以看出天线谐振频率偏向低频，且输入阻抗偏离50欧姆。

这时候有人肯定就会说，调天线就是玄学，这么多变量我怎么知道调节哪些变量，变量调成多少合适，难道直接用Optimization？其实了解过贴片天线相关原理的就晓得，这时候，只需要调节天线的长度和馈电偏离中心的位置即可，前者影响谐振频率，后者影响天线的匹配。

话不多说直接上图，可以看出当馈电点位置偏离贴片天线中心2.5mm时，其阻抗匹配较优。

不过此时天线的谐振频率还偏向低频5.6GHz，因此适当缩短天线长度即可完成5.8GHz背馈式贴片天线的设置。

矩形贴片天线长度扫参结果

0 3CST和HFSS仿真结果对比

在HFSS上方菜单栏选择Modeler-》Export，保存为step格式。

然后打开CST在Export下选择导入上面的STEP文件，并删除Region等无关模型，设置好材料属性和边界条件。

采用时域求解器和默认的网格剖分设置，仿真的谐振频率在5.759GHz，与HFSS仿真结果相差40MHz。

CST时域Meshproperties和S11结果

直接将上述模型的求解器改为频域求解器并按下图设置网格剖分，仿真的谐振频率在5.825GHz，与HFSS仿真结果相差25MHz左右，已经很接近了。