天线的HFSS和CST仿真介绍与对比

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技术，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。

CST频域Meshproperties和S11结果

总体来说，电小尺寸的微带贴片天线在HFSS的FEM+自动网格剖分加密仿真和CST的时域和频域求解器下，仿真结果差异可以接受。毕竟天线设计属于工科范畴，实际还要考虑加工、焊接容差等，所以还是需要打几次PCB板进行测试分析、调试优化，死磕这点仿真差异并没有啥意义。

基础性地写代码编注释，建模仿真还是挺费时间和精力的，希望大家多点赞分享！

代码分享区

hfssapi-by-Jianhui Huang

下载链接（后续代码持续在下面链接更新）：

https://pan.baidu.com/s/1N0EE3Uv7krkypfzi9vxCvg

提取码：o5p5

代码已封装好打包为p文件不可修改，每次重新下载覆盖，按函数注释进行掉包即可！

注释事项：MATLAB生成vbs脚本的.m文件与hfssapi-by-Jianhui Huang放在同一个总文件夹内。不要在examples文件夹内运行.m文件！

责任编辑：haq