天線HFSS、CST仿真設(shè)計為什么不靠譜？

西北望msm66g9f 2019-11-17

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在設(shè)計通訊終端產(chǎn)品天線時，利用電磁仿真軟件建模設(shè)計天線，其結(jié)果往往與實際差異很大，很多理論派的學(xué)者，在接到天線設(shè)計項目時，花費大量時間在軟件建模上，在得到理想的天線Pattern后，打樣就出問題，浪費寶貴的項目時間。今天就來給大家講一講為什么在真實電子產(chǎn)品上設(shè)計天線的時候只做電腦HFSS、CST等仿真設(shè)計就直接定天線不靠譜。

首先我們要理解電腦HFSS、CST等仿真軟件的原理。這類軟件的工作原理是將所需設(shè)計產(chǎn)品的3D模型導(dǎo)入到電腦仿真軟件中，或者自己在軟件上建立模擬實際產(chǎn)品的3D模型，然后將模型的材質(zhì)設(shè)置成通用材質(zhì)，再在此模型的基礎(chǔ)上完成天線設(shè)計并用軟件計算天線的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)。

HFSS天線仿真界面

基于以上原理，我們可以知道，電腦軟件仿真存在諸多不準(zhǔn)確的因素，這些因素都會導(dǎo)致仿真結(jié)果不準(zhǔn)確。

1、 3D模型和最終的真實產(chǎn)品的差異

很多時候3D模型是仿真人員自己根據(jù)客戶的產(chǎn)品建立的簡化模型，這種簡化模型與實際產(chǎn)品之間存在差異，這種差異直接會導(dǎo)致仿真結(jié)果存在偏差。即便是將客戶的真實外殼3D圖以及電路板圖的真實尺寸導(dǎo)入進(jìn)行仿真，但客戶產(chǎn)品中的配件內(nèi)部構(gòu)造情況、圖檔與實際偏差情況一概不知，自然仿真的結(jié)果就不可能準(zhǔn)確無誤了。

2、通用材質(zhì)參數(shù)與真實產(chǎn)品材質(zhì)參數(shù)的差異

這也是一個很常見的情況，在完成上面的3D模型之后，仿真人員需要確定模型中各種不同部件的材質(zhì)的參數(shù)（包括介電常數(shù)和損耗）。很多客戶自己都無法準(zhǔn)確知道自己使用的產(chǎn)品材質(zhì)參數(shù)，仿真人員又是如何確定的呢？這個時候仿真人員通常將材質(zhì)設(shè)置成通用材質(zhì)，比如金屬統(tǒng)一設(shè)置成PEC（理想導(dǎo)體）、塑料統(tǒng)一設(shè)置成通用塑料參數(shù)等。但是實際上金屬有鐵、鋁、銅等各種不同材質(zhì)，不同塑料的介電常數(shù)也從2.8到4.0不等，這些看起來差不多的材質(zhì)實際的參數(shù)都有很大的差異，直接簡單設(shè)置必然帶來仿真參數(shù)與真實產(chǎn)品的差異。

3、仿真軟件自身準(zhǔn)確性差異

做過天線仿真的人都知道一個現(xiàn)象，將完全相同的模型導(dǎo)入到不同仿真軟件中進(jìn)行天線仿真，仿真出來的結(jié)果是有差別的。這是因為不同軟件的算法、精度不同，都會導(dǎo)致運算仿真的結(jié)果不同。而軟件的計算結(jié)果也產(chǎn)品實際情況也是存在差別的。

綜合以上種種差異，軟件仿真天線設(shè)計的結(jié)果又怎么可能會與真實產(chǎn)品的天線參數(shù)一致呢？那么仿真結(jié)果與實際制作出來的產(chǎn)品差別究竟有多大？

以一個客戶為例。他想要設(shè)計的是一個WiFi的內(nèi)置板載PCB天線，天線與電路部分共板而且有外殼有電池。天線仿真人員完成仿真設(shè)計的結(jié)果顯示，仿真的天線諧振頻率正好落在2450MHz,而且駐波比指標(biāo)在小于2.0，說明在仿真軟件中天線的阻抗表現(xiàn)良好，符合內(nèi)置天線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。這個客戶按照仿真人員提供的尺寸制板完成自己的產(chǎn)品制作之后，發(fā)現(xiàn)這個天線的通信距離非常差，射頻方案正?？梢杂?00多米通信距離，但是他的產(chǎn)品通信距離只有不到30米。

VSWR仿真結(jié)果

這個客戶把仿真模型及制作的產(chǎn)品給到我們這邊，我們用天線專用儀器設(shè)備對產(chǎn)品的天線進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)這個天線在工作頻段2.4-2.5GHz處，駐波很高（＞5.0），這樣天線與設(shè)備失配，與仿真結(jié)果差距非常大。因此這個天線使用效果差是自然而然的了。

根據(jù)仿真制作的天線

天線專用網(wǎng)絡(luò)分析儀實測圖

與這些電腦仿真設(shè)計不同，我們提供的天線設(shè)計是將真實的完整產(chǎn)品連接到專門設(shè)計測試天線的專用儀器（網(wǎng)絡(luò)分析儀）上，在設(shè)計完天線后，用完全真實的產(chǎn)品整機(jī)環(huán)境測試出準(zhǔn)確的天線參數(shù)并以此為依據(jù)反復(fù)修改直到天線的真實參數(shù)滿足天線的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。由于是在真實產(chǎn)品上進(jìn)行的設(shè)計，因此前面說的產(chǎn)品模型差異和材料參數(shù)差異根本不存在。我們使用專業(yè)儀器測試真實的天線參數(shù)，沒有運算過程，因此也不存在運算誤差。因此我們的測試結(jié)果是真實的天線性能。這種設(shè)計方式也是各大天線廠家和專業(yè)從業(yè)人員標(biāo)準(zhǔn)的的天線設(shè)計方法。以下是我們?yōu)榭蛻粼O(shè)計的2.4GHz天線。

致哲為客戶設(shè)計的天線

仿真結(jié)果實際上只是一個參考數(shù)據(jù)，天線設(shè)計的專業(yè)從業(yè)人員都知道這個情況。只要客戶是制作實際產(chǎn)品的，我們都會建議客戶提供完整的天線環(huán)境，定制合適的天線，由于天線調(diào)試設(shè)備還是蠻貴的（二手的都需要十多萬），為了賺錢只能選擇以仿真結(jié)果來糊弄客戶。

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