作品概述

HFSS對和差網絡或其他復雜無源器件設計技術已經非常成熟，雖然可以解決電磁精度問題, 但仍面臨很多問題，比如在設計真實的3D微波元件需花費數周的時間。另一方面電路仿真具有很高的速度，可快速仿真出無源器件的集總電參數。ANSYS公司提供了一種全新的微波無源器件設計流程：HFSS與Designer協同設計與仿真——既能夠減少設計周期、具有電磁精度、且求解問題的規模不受限制。

關鍵詞： 協同設計與仿真、和差網絡

仿真應用背景

單脈沖天線主要用于雷達或導引轉置上定位與探測，它是指通過單個回波脈沖就可以獲取出目標的全部信息。

單脈沖實現定向的技術手段是采用多路接收——使用幾個獨立的接收支路來同時接收目標反射回來的信號，然后再將反射回來的信號的幅度和相位信息進行比擬。

基本的定向方法有兩種：比幅定向法和比相定向法。

仿真結果分析、展示

和差網絡是單脈沖天線重要組成部分，它是一個八端口的無源器件。

發射端——為單脈沖天線提供和差波束。

接收端——比較幾路波束所接收到的回波信號，并經過處理得到和差信號，然后驅動天線伺服機構，實現天線的距離跟蹤與角度跟蹤。

因此和差網絡的性能直接影響著雷達的跟蹤精度及跟蹤距離等重要指標。

圖2、和差網絡結構示意圖

HFSS與Designer協同仿真與設計流程

HFSS與Designer工程建立

在HFSS中分別單獨建立和差網絡各部分模型

建立HFSS與Designer間的動態鏈接

在Designer中添加端口以及端口的操作

在Designer中連接和差網絡各部分元件

在Designer中添加變量，以便于后續進行優化

在Designer中設置端口

在Designer中求解設置

在Designer中建立和差網絡完整模型，進行優化設計

最終在HFSS中進行驗證：

輸入各端口的反射系數均低于-20dB。輸出端口反射系數低于-15dB。和差端口之間的隔離度低于-25dB。

當激勵和端口時，協同仿真之后的和差網絡內部電場分布以及輻射性能圖。

當激勵水平差端口時，協同仿真之后的和差網絡內部電場分布以及輻射性能圖。

當激勵俯仰差端口時，協同仿真之后的和差網絡內部電場分布以及輻射性能圖。

以上結果表明，所設計和差網絡成功輻射出良好的和差波束。

小結

本案例結合發表的論文(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與Designer聯合仿真與設計一種用于單脈沖天線的和差網絡。相比于HFSS傳統的全波仿真，協同仿真計算一次所用時間縮短了180倍，而且最終在HFSS中進行了仿真驗證，所獲得性能指標滿足應用要求。