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！
电气图分类有哪些
步进电机分哪几种及种类
小米智能电视在印度市场的份额占比持续六连胜
防水连接器定制安装需要注意哪些事项？
通用汽车正在经历深刻的重构 加速自动驾驶的商业化进程
天线的HFSS和CST仿真介绍与对比
智慧农业的市场可能有多大
无人机飞防具备什么优势
IoT赛道又进一位新的“搅局者”无人不知晓的360
IoT网络中集成了很多不同的传感器类型
fireflyAIO-3399C主板电源适配器简介
如何通过优化模块布局解决芯片缩小带来的电气性能挑战
led芯片的类型
suaoki推出一款便携式储能移动电源，支持车充充电，并能够使用太阳能供电
中国航空公司正式启动了LEAP发动机培训项目
最新黑科技：人体内运输细胞的微型机器人
没有大算力的ChatGPT，不是好AIGC
77英寸索尼A1正式开售：14999元仅次于LG OLED77W7P
汇总一些嵌入式打log的一些规则
华为正式宣布推出openEuler 20.3 LTS操作系统 可免费获取LTS版本并商业化
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！
电气图分类有哪些
步进电机分哪几种及种类
小米智能电视在印度市场的份额占比持续六连胜
防水连接器定制安装需要注意哪些事项？
通用汽车正在经历深刻的重构 加速自动驾驶的商业化进程
天线的HFSS和CST仿真介绍与对比
智慧农业的市场可能有多大
无人机飞防具备什么优势
IoT赛道又进一位新的“搅局者”无人不知晓的360
IoT网络中集成了很多不同的传感器类型
fireflyAIO-3399C主板电源适配器简介
如何通过优化模块布局解决芯片缩小带来的电气性能挑战
led芯片的类型
suaoki推出一款便携式储能移动电源，支持车充充电，并能够使用太阳能供电
中国航空公司正式启动了LEAP发动机培训项目
最新黑科技：人体内运输细胞的微型机器人
没有大算力的ChatGPT，不是好AIGC
77英寸索尼A1正式开售：14999元仅次于LG OLED77W7P
汇总一些嵌入式打log的一些规则
华为正式宣布推出openEuler 20.3 LTS操作系统 可免费获取LTS版本并商业化