天線設計優化的案例
內部機載天線優化設計方案
例如，在100KHz下使用大量碳纖維增強材料能夠不劣化輻射圖，但在10GHz下即使微量的碳纖維也會產生嚴峻的設計難題。
仿真的（紅色虛線）輻射圖和測量得到的（黑色）輻射圖顯示出良好匹配
通過迭代獲得精心優化的設計
工程師隨后評估了不同的天線安裝設計，旨在獲得全向輻射圖。通過改變不同設計參數的尺寸，他們發現天線相對于復合材料結構件的位置（x和y方向）以及復合材料結構件的厚度對天線性能的影響最大。工程師使用HFSS中的參數化設計功能，在批處理模式中評估這些值的范圍及其他設計參數。接下來，工程師為完整飛機結構建模，以確定其如何影響天線性能以及如何進行設計改進來維持全向性能。
最終天線設計的測量值顯示，在1到1.2GHz的頻率之間最終天線設計與常規天線的性能極為接近
在仿真的指導下，工程師研發出的天線安裝設計能夠提供極為貼近理想全向模式的輻射圖，幾乎達到了無罩天線的性能。在優化天線設計之后，巴西國家電信研究所和巴西航空工業公司的工程師為優化后的設計構建了原型。新原型的物理測量與仿真結果良好匹配。這些新的天線安裝設計有望大幅降低新一代飛機的燃油消耗。
展開 電磁仿真大顯身手，優化螺旋天線設計
縫隙螺旋天線擁有多功能性和寬帶頻率響應特性，因此被廣泛用于無線通信、傳感、定位、跟蹤及許多不同微波頻段的應用。為了優化縫隙螺旋天線的設計，工程師們可以利用電磁分析來精確計算諸如 S 參數和遠場模式之類的特性。
縫隙螺旋天線的優點
縫隙螺旋天線擁有以下優點：
近乎理想的圓偏振輻射
寬帶頻率響應
輻射方向圖和阻抗能夠在大帶寬范圍內保持不變
此外，縫隙螺旋天線設計易共形，可安裝在各種物體上。這對于國防等工業是一個實用特征，安裝在軍用車輛和飛機的縫隙螺旋天線可以發揮通信和監視功能。
螺旋天線實例。圖片由 Bin im Garten 拍攝，已獲 CC BY-SA 3.0 授權，通過 Wikimedia Commons共享。
螺旋天線有很多種，最常見的是阿基米德螺旋天線。在本文，我們將討論利用 COMSOL Multiphysics? 軟件及其附加的“RF 模塊”對此類天線進行模擬。
借助 COMSOL Multiphysics? 評估縫隙螺旋天線的設計
作為第一步，我們將討論如何繪制由兩條阿基米德螺旋線狀狹縫構成的縫隙螺旋天線的幾何。我們采用參數化曲線，在單面的金屬基底上制作出一個螺旋圖案。參數化曲線使得我們能夠利用數學公式繪制任意形狀的曲線。基底是一個完美電導體（perfect electric conductor，簡稱 PEC），具有很高的導電性，表面的損耗可忽略不計。螺旋狹縫的中心是集總端口，作用是激勵天線。
縫隙螺旋天線的幾何結構（上圖）和網格（下圖）。
天線和基底被空氣區域和完美匹配層（perfectly matched layer，簡稱 PML）包圍，PML 為上圖灰色部分。右圖的物理場控制的網格由軟件默認生成。
展開 官方免費 | optiSLang高級優化及其在天線設計中的應用
直播簡介
HFSS作為電磁仿真界的黃金標準工具,已廣泛地應用于天線、微波器件、電磁兼容等領域。優化技術作為產品設計中極其重要的環節，HFSS一直致力于提供豐富的工具和優化技術，如Optimetrics(參數掃描、多種優化算法)、伴隨求導、設計實驗DoE等，幫助用戶實現產品的最佳設計。而optiSLang又將HFSS的優化設計提升至一個全新階段。
2019年，ANSYS完成對Dynardo公司的收購，其旗艦產品optiSLang是業界領先的仿真流程管理及多學科優化工具。如今，optiSLang與HFSS結合將為電磁設計提供完整的優化解決方案，解決產品設計中參數敏感度分析、優化參數過濾與篩選、設計空間研究、優化算法選擇等問題。本直播將以講解結合實際案例的方式，介紹optiSLang結合HFSS完成大規模參數的天線優化。
主要內容
1. HFSS仿真中的優化技術
2. optiSLang的參數敏感度分析
3. optiSLang的參數篩選與智能優化
4. 結合HFSS的天線優化案例
5.
展開 【ANSYS線上直播回看】- optiSLang高級優化及其在天線設計中的應用
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HFSS作為電磁仿真界的黃金標準工具已廣泛地應用于天線、微波器件、電磁兼容等領域。優化技術作為產品設計中極其重要的環節，HFSS一直致力于提供豐富的工具和優化技術，如Optimetrics(參數掃描、多種優化算法)、伴隨求導、設計實驗DoE等，幫助用戶實現產品的最佳設計。而optiSLang又將HFSS的優化設計提升至一個全新階段。
2019年ANSYS完成對Dynardo公司的收購，其旗艦產品optiSLang是業界領先的仿真流程管理及多學科優化工具。如今，optiSLang與HFSS結合將為電磁設計提供完整的優化解決方案，解決產品設計中參數敏感度分析、優化參數過濾與篩選、設計空間研究、優化算法選擇等問題。
此次網絡直播吸引了眾多觀眾在線觀看，在會后我們也陸續收到在線觀眾以及其他用戶前來詢問，在此附上本場網絡直播錄屏內容，供大家回看學習。
展開 
5G終端天線設計，到底有多難？
天線是敏感元件，放置位置和方式有嚴格的限制，不是隨便亂塞的。如果布局設計不合理，可能導致和其它器件之間的互相干擾，出現電磁兼容性（EMC）問題。
5G頻段，中低頻有Sub-6 GHz頻段（甚至700MHz頻段）， 高頻有毫米波頻段。頻率跨度大，意味著天線尺寸跨度也大，加上多制式網絡的支持，要求天線必須具備很好的調諧能力，這也大幅增加了天線的設計難度。
在設計天線布局時，還必須要考慮用戶使用場景和方式。例如，5G手持終端需要考慮手部握持的位置，5G踏板車需要考慮天線會不會被騎手身體阻擋，等等。
第三個設計難點，在于
功耗控制。
功耗是物聯網終端的命門。如果天線設計未經優化，會加劇電池的消耗速度。
5G作為高性能終端，功耗設計壓力本來就大。如果天線額外增加了對電池的消耗，無異于雪上加霜。試想一下，如果5G終端需要頻繁更換電池，用戶體驗從何談起？隨之而來的成本增長，又該如何面對？
除了上述幾點之外，終端天線設計需要考慮的因素還有很多，例如新工藝新材料的應用，產品耐用性、可靠性、易安裝性的增強，等等。
對于終端廠商來說，要在研發和設計5G終端天線時面對這么多的挑戰，實在是力不從心。
有些廠商，因為忽視對天線的前期設計，導致產品定型后發現性能受限，工作效率無法符合設計需求，最終不得不花更多的經費、時間和精力，對天線進行重新設計。
也有的終端廠商，雖然知道天線的重要性，但缺乏天線專業人才，不具備合格的天線設計和測試能力，只能束手無策。
展開 天線仿真與設計 | 新型充氣太空天線將有望提高瞄準性能
仿真球形天線
球形天線的對稱性是FreeFall技術的關鍵。
FreeFall射頻設計工程師Terrance Pat在Walker指導下獲得博士學位，他表示：“對稱性本質上為球形提供了無限數量的方向，您可以瞄準波束。”無需實際轉動航天器或天線即可有效控制無線電波束的能力是FreeFall方法的關鍵點之一。HFSS能夠對相位和振幅等各種量進行快速網格劃分和參數化調整，為天線仿真與設計提供高效的流程。
Pat指出：“Ansys使確定正確網格的流程在一定程度上實現了自動化。因此，這就和設計天線并定義合適的邊界條件一樣簡單。10次中約有9次都可以使用自動確定的默認網格劃分。”
Pat表示，在仿真天線時他使用替代計算方法來節省時間，例如積分方程(IE)法，該方法使用積分而不是FEM來求解大量方程，以及基于幾何光學的彈跳射線(SBR)法。
Pat稱：“當您有一個大型電氣的反射器時，可以把反射器上的場沖擊近似成基本平行的幾何光線。這樣您就可以使用光線跟蹤從反射器獲得散射場。在這些情況下使用SBR的優點是GPU占用小。您可以使用顯卡來加速計算，這確實很有幫助。”
Ansys HFSS用于工程和銷售
目前，充氣反射球形天線處于原型階段，多家感興趣的潛在客戶正在關注FreeFall公司的進展。
展開 Ansys Discovery集成電磁功能為物聯網和5G提供早期天線設計
新功能有助于企業在天線設計流程早期研究新概念，從而為物聯網（IoT）應用以及5G技術和自動駕駛汽車帶來更出色的性能。
Ansys Discovery 仿真
Capgemini Invent旗下劍橋咨詢公司（Cambridge Consultants）醫療技術部高級副總裁Arun Venkatasubramanian博士指出：“智能、高度微型化的可植入醫療設備正在開創全新的治療領域，并改善患者護理體驗。設計智能植入物的關鍵環節是開發出高效可靠的無線天線。作為一家提供前沿解決方案的產品開發和技術咨詢公司，我們期待使用Ansys Discovery來增強我們現有的Ansys HFSS天線設計工作流程。這將使我們能夠快速探索天線概念設計，并加速向客戶交付創新型解決方案。”
Discovery能幫助團隊快速評估元件設計和天線布局的變化，而無需解釋或闡明復雜的計算機輔助設計（CAD）幾何結構。它能根據所需的頻率范圍自動創建電磁區域，并根據端口定義分配導電和介電材料。這種自動化能夠支持快速評估和集成天線概念，同時避免手動清理幾何結構。此外，工程師和設計人員還可將模型和物理設置無縫傳輸到Ansys HFSS 3D高頻電磁仿真軟件中，以進行最終設計驗證。
Ansys產品高級副總裁Shane Emswiler表示：“在Ansys Discovery中增加用于天線設計的電磁功能不僅可實現仿真左移，而且還能讓仿真技術在從初學者到專家的所有用戶群體中更加普及化。Discovery提供了一個易于使用的界面，其集成了建模和訪問其他Ansys工具的功能，從而簡化天線設計流程，并優化開發、性能和效率。”
展開 【11月29-30日 上海】ANSYS官方培訓—基于HFSS的天線設計（包含5G天線）高級培訓
基于HFSS的天線設計（包含5G天線）高級培訓
培訓背景
過去的幾十年中隨著移動通信技術的進步，天線作為系統中的關鍵部件得到了大力的發展與廣泛的應用。而隨著5G的即將來臨，天線再一次成為技術發展與應用的核心，并面臨著極大的創新挑戰和進步機遇。
大規模陣列天線作為5G天線的關鍵技術，設計和仿真難度仍然比較大。同時天線的布局問題在天線應用中也成為一個重要課題。隨著手機等電子設備的小型化和高性能要求，移動終端天線的設計面臨著越來越苛刻的要求。
HFSS作為天線設計的黃金工具，在業界一直廣受推崇。HFSS提供了高效高精度的電磁場算法，獨特的限大陣列求解技術和便捷的場路協同優化技術，可以快速高效的分析各類復雜天線問題。
本次培訓主要針對陣列天線設計，天線布局和移動終端天線設計的仿真方法和手段進行相關培訓，為提升相關科技工作者的技術水平，普及ANSYS軟件高級功能。因此，ANSYS公司特開辦“基于HFSS的天線設計（包含5G天線）高級培訓班”。
培訓合格者發放ANSYS技術培訓認證證書。
展開 HFSS仿真案例 | 車載天線布局與優化
HFSS在高頻器件設計方面擁有全球最大的用戶群，成為當之無愧的三維電磁場仿真的黃金標準工具，現已廣泛應用于航空航天、電子、半導體、汽車、通信、醫療儀器等多個領域。下面將以車載天線為仿真案例，綜述HFSS在汽車領域的仿真方案、技術優勢以及商業價值。
仿真方案綜述
Ansys HFSS 中的FEM-IE-PO-SBR混合算法，Flex Meshing、Assembly Mesh、3D Components、SCDM等新技術，應用于車載天線布局與優化仿真，可實現天線與汽車載體的快速網格劃分與網格復用；輔助高性能并行計算HPC+DDM+GPU等，可實現汽車載線布局的快速建模與高效仿真，甚至超大規模的場景仿真等，大大提高工程師的工作效率。
從天線的工作原理來講，汽車載體一般位于天線的近場區域，天線與汽車載體之間的耦合效應，會進一步影響到天線的方向圖、端口匹配、瞄準誤差等性能，尤其是對于電小天線來說，天線安置于載體的變化更為明顯。天線+汽車的一體化仿真，是天線布局問題分析中，必不可少的最有效的解決方案。
技術優勢
1. 天線與汽車的一體化仿真，包含天線庫ADK；
2. 完備的混合算法，應對各種電大尺寸布局問題；
3. 三維模型庫技術，實現網格的快速劃分與復用；
4. 專業的模型修復與簡化，一鍵修復各種模型問題；
5. 靈活的邊界條件等效建模，有效降低模型復雜度；
6. 域分解高效并行技術，獲取精度與速度的均衡；
7.
展開 案例分享 | optiSLang：優化雙頻帶縫隙天線
通過將位置誤差縮放0.01GHz引入加權
使用直接求解器進行優化
optiSLang建議使用自適應響應面方法作為優化方法
使用自適應響應面進行優化
最佳設計與預期頻率完美匹配，而且顯著改善了振幅值
總結優化結果
敏感度分析發現了一種能夠滿足預期頻率的設計
由于幅值中的CoP值較小，因此無法可靠地識別不重要的參數
通過加權頻率偏差和振幅值，使用直接求解器進行優化，能夠大大改善初始設計
來源于：ANSYS官網
案例分享 | optiSLang：優化雙頻帶縫隙天線
通過將位置誤差縮放0.01GHz引入加權
使用直接求解器進行優化
optiSLang建議使用自適應響應面方法作為優化方法
使用自適應響應面進行優化
最佳設計與預期頻率完美匹配，而且顯著改善了振幅值
總結優化結果
敏感度分析發現了一種能夠滿足預期頻率的設計
由于幅值中的CoP值較小，因此無法可靠地識別不重要的參數
通過加權頻率偏差和振幅值，使用直接求解器進行優化，能夠大大改善初始設計
案例分享 | optiSLang：優化雙頻帶縫隙天線
通過將位置誤差縮放0.01GHz引入加權
使用直接求解器進行優化
optiSLang建議使用自適應響應面方法作為優化方法
使用自適應響應面進行優化
最佳設計與預期頻率完美匹配，而且顯著改善了振幅值
總結優化結果
敏感度分析發現了一種能夠滿足預期頻率的設計
由于幅值中的CoP值較小，因此無法可靠地識別不重要的參數
通過加權頻率偏差和振幅值，使用直接求解器進行優化，能夠大大改善初始設計
HFSS仿真案例 | 車載天線布局與優化
HFSS在高頻器件設計方面擁有全球最大的用戶群，成為當之無愧的三維電磁場仿真的黃金標準工具，現已廣泛應用于航空航天、電子、半導體、汽車、通信、醫療儀器等多個領域。下面將以車載天線為仿真案例，綜述HFSS在汽車領域的仿真方案、技術優勢以及商業價值。
仿真方案綜述
Ansys HFSS 中的FEM-IE-PO-SBR混合算法，Flex Meshing、Assembly Mesh、3D Components、SCDM等新技術，應用于車載天線布局與優化仿真，可實現天線與汽車載體的快速網格劃分與網格復用；輔助高性能并行計算HPC+DDM+GPU等，可實現汽車載線布局的快速建模與高效仿真，甚至超大規模的場景仿真等，大大提高工程師的工作效率。
從天線的工作原理來講，汽車載體一般位于天線的近場區域，天線與汽車載體之間的耦合效應，會進一步影響到天線的方向圖、端口匹配、瞄準誤差等性能，尤其是對于電小天線來說，天線安置于載體的變化更為明顯。天線+汽車的一體化仿真，是天線布局問題分析中，必不可少的最有效的解決方案。
技術優勢
1. 天線與汽車的一體化仿真，包含天線庫ADK；
2. 完備的混合算法，應對各種電大尺寸布局問題；
3. 三維模型庫技術，實現網格的快速劃分與復用；
4. 專業的模型修復與簡化，一鍵修復各種模型問題；
5. 靈活的邊界條件等效建模，有效降低模型復雜度；
6.
展開 基于HFSS的NFC天線研究與設計
并聯電容越大，阻抗點移動位置越遠；串聯電容越大，阻抗點移動位置越近；串聯電阻越大，天線帶寬越大。
匹配結果顯示，諧振點位于Smith上方，于是進行優化設計，將串聯電容適當變小，可以優化天線的回波損耗。將優化后的匹配電路重新添加到HFSS中再次運行，可以得到優化后的S11圖和Smith圖，如圖10所示，圖中m1表示諧振頻率在13.56MHz下的Smith點，且其值位于50歐姆標準匹配中心處，符合預期要求。
圖10 天線史密斯圓圖
天線的回波損耗是代表天線的傳輸能力, 其中要求天線的回波損耗要低于-10dB，才能極大發揮天線性能，提高傳輸效率。根據圖11可以看出天線的回波損耗由開始的-19.6dB降到了優化后的-27.25dB，說明天線完全匹配且性能較強，滿足設計要求。
圖11 天線回波損耗圖
3 耦合分析
3.1 天線耦合參數
微波系統的主要研究是信號和能量，信號主要是研究幅頻和相頻特性，而能量則研究傳輸效率的高低。因此，在處理高頻網絡時，將引入散射參數來反映入射波、反射波的關系，從而得到器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號。S參數即兩個復數之比，包含有關信號的幅度和相位。如圖12為雙端口網絡，包含入射波和反射波，其中S11表示輸出端口是端口1反射波，輸入端口也是端口1的入射波，S21就是端口1到端口2的正向傳輸系數。
圖12 雙端口網絡
3.2 天線耦合分析
天線的傳輸效率用耦合系數K表示，其中K值接近于1，其關系式[16]：
為驗證耦合天線是否滿足設計要求，在設計的基礎上進行仿真天線耦合，將2個完全一致的原標準匹配天線同時導入HFSS系統，并設定初始化參數以及邊界條件，運行結果如圖13所示
將天線的性能參數固定，耦合距離d設為變量參數進行仿真。
展開 優化設計分析系列（一）:靜力學優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
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