技术课堂丨汽车天线仿真之CST双向混合求解实例

2022/2/11 16:12:00

CST从2018版本开始具有双向混合求解任务,到2019版已经通用微波工作室的各个求解器之间的双向混合,如下图所示:

在Antenna Magus中寻找天线,在Array中选择PIFA天线,设置频率2.4GHz,基板选择罗杰斯5880,厚度1mm:

软件计算得出天线尺寸,保存为antenna的cst模型,在cst中打开,将仿真频率设定为2-3GHz,仿真得到S11和方向图的性能:


在CST中导入CATIA格式的汽车模型,按尺寸缩放合适的比例,将汽车材料设置为钢,再选择窗户设置为玻璃。由于模型没有带底盘,在地面画上一层PEC,并在边界条件中将Zmin设为理想导体。保存为car模型:

新建一个cst文件,建立装配模型,依次导入汽车和天线的子模型:

选择天线,装配选项卡中点击移动,使其放在驾驶台前方可操控位置:

单向耦合类似于旧版本的仿真方法,先仿真天线结构,再输出远场/近场数据,再由设备模型调用之,计算出远场方向图,在新版本中整合为单向耦合的任务。该方法适用于更大型的模型、天线离设备金属面较远的场合,在设备对天线本身辐射性能影响很小的情况下,可以用很快的时间得出设备外的方向图。


建立单向耦合仿真任务,首先平台选中汽车,点击3DModel图标,创建仿真项目,选择时域法;因为如采用积分方程法需要划分标表面网格,由于汽车结构较复杂、有细小零部件,划分网格需大量时间乃至报错,不如采用时域粗略六面体网格,速度更快。

再选择天线作为场源,点3DModel,创建时域仿真项目,关闭仿真项目模式。时域平台只能采用近场耦合,定义频率为2-3GHz,11个采样点任务,便自动创建好模型。

由于默认网格太多,减少网格以加快仿真速度:

在platform文件中添加远场监视器,频率为2.4GHz,点Update开始仿真,得到结果,方向图集中于汽车上方,较为理想:


本模型由于汽车金属片离天线较远,所以单向耦合即可得到较理想的结果。然而在很多情况下,尤其是较小的电器设备,天线离设备的金属片很近,位于天线的近场范围内,此时设备的金属通过电磁耦合实质上成为天线的一部分,使天线的S11曲线发生变化。使用单向耦合就不能准确地仿真天线和设备的相互耦合,也无法得到天线在设备内的S11参数,此时应当使用双向耦合方法,通过源和平台的近场数值迭代,使得两次误差在可接受范围内,便得到其结果。

以上述模型为例,重新建立双向耦合任务。类似地设定好耦合条件、网格进行仿真,步骤与单向耦合相同。为加快仿真速度,迭代次数降为3次:

经过仿真后得出方向图,直接在任务文件夹下即可观察,形状和数值接近单向,但更为准确:

同时也可以得到S11的结果(也可观察源天线F参数曲线),这是单向耦合无法计算的,因此推荐天线摆放的耦合仿真尽量采用双向耦合,虽然时间慢但更精确:

 

-END-

 

 

CST从2018版本开始具有双向混合求解任务,到2019版已经通用微波工作室的各个求解器之间的双向混合,如下图所示:

在Antenna Magus中寻找天线,在Array中选择PIFA天线,设置频率2.4GHz,基板选择罗杰斯5880,厚度1mm:

软件计算得出天线尺寸,保存为antenna的cst模型,在cst中打开,将仿真频率设定为2-3GHz,仿真得到S11和方向图的性能:


在CST中导入CATIA格式的汽车模型,按尺寸缩放合适的比例,将汽车材料设置为钢,再选择窗户设置为玻璃。由于模型没有带底盘,在地面画上一层PEC,并在边界条件中将Zmin设为理想导体。保存为car模型:

新建一个cst文件,建立装配模型,依次导入汽车和天线的子模型:

选择天线,装配选项卡中点击移动,使其放在驾驶台前方可操控位置:

单向耦合类似于旧版本的仿真方法,先仿真天线结构,再输出远场/近场数据,再由设备模型调用之,计算出远场方向图,在新版本中整合为单向耦合的任务。该方法适用于更大型的模型、天线离设备金属面较远的场合,在设备对天线本身辐射性能影响很小的情况下,可以用很快的时间得出设备外的方向图。


建立单向耦合仿真任务,首先平台选中汽车,点击3DModel图标,创建仿真项目,选择时域法;因为如采用积分方程法需要划分标表面网格,由于汽车结构较复杂、有细小零部件,划分网格需大量时间乃至报错,不如采用时域粗略六面体网格,速度更快。

再选择天线作为场源,点3DModel,创建时域仿真项目,关闭仿真项目模式。时域平台只能采用近场耦合,定义频率为2-3GHz,11个采样点任务,便自动创建好模型。

由于默认网格太多,减少网格以加快仿真速度:

在platform文件中添加远场监视器,频率为2.4GHz,点Update开始仿真,得到结果,方向图集中于汽车上方,较为理想:


本模型由于汽车金属片离天线较远,所以单向耦合即可得到较理想的结果。然而在很多情况下,尤其是较小的电器设备,天线离设备的金属片很近,位于天线的近场范围内,此时设备的金属通过电磁耦合实质上成为天线的一部分,使天线的S11曲线发生变化。使用单向耦合就不能准确地仿真天线和设备的相互耦合,也无法得到天线在设备内的S11参数,此时应当使用双向耦合方法,通过源和平台的近场数值迭代,使得两次误差在可接受范围内,便得到其终结果。

以上述模型为例,重新建立双向耦合任务。类似地设定好耦合条件、网格进行仿真,步骤与单向耦合相同。为加快仿真速度,迭代次数降为3次:

经过仿真后得出方向图,直接在任务文件夹下即可观察,形状和数值接近单向,但更为准确:

同时也可以得到S11的结果(也可观察源天线F参数曲线),这是单向耦合无法计算的,因此推荐天线摆放的耦合仿真尽量采用双向耦合,虽然时间慢但更精确:

 

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