利用HFSS优化法快速确定天线的相位中心

1.什么是天线相位中心

天线所辐射出的电磁波在离开天线一定的距离后，其等相位面会近似为一个球面，该球面的球心即为该天线的等效相位中心，如下图（虚线表示该天线的等相位面，在离开天线一定距离后，虚线近似为圆形（最外面一圈），其圆心即为天线的等效相位中心）：

2.HFSS优化法快速确定天线的相位中心

（1）用后处理变量定义相对坐标系

A.HFSS>Design Properties，打开DesignProperties 对话框;

B.点击AddVariable，显示定义设计变量的属性对话框，例如定义为“PhaseCenterZ”，变量类型设定为“PostProcessing variable”，单位类型“Length”，本例初值设为“1in”；

C.用Modeler>CoordinateSystem>Create>Relative CS>Offset 命令定义一个相对坐标系，用前面设定的变量作为Z坐标。

后面的优化过程中可以通过变量改变坐标系定义，而无需重新求解模型。

(2)将相对坐标系用于远场设置计算

点击HFSS>Radiation>InsertFar Field Setup>Infinite Sphere ，定义合适的角度范围与间隔，在坐标系选项卡中，选择定义好的采用了后处理变量的相对坐标系；

当相对坐标系位置改变时（通过改变变量PhaseCenterZ的值），远场量会重新计算，而无需重新仿真模型。

(3)设置优化求解

A.添加一个优化（Optimization）设置

B.点击“SetupCalculations”按钮，打开计算表达式定义的对话框，定义优化目标用于寻找相位中心，这里将优化的是场量rEPhi的峰峰连续角度。

· Geometry选择前面定义的InfiniteSphere。

· 计算表达式为cang_deg(rEPhi)，本例中的天线在Phi=0平面是Phi极化（电场沿着y轴）

C.点击“RangeFunction”，选择“Math”，函数选择“pk2pk”，应用于整个Theta角度扫描；

D.“Oversweep”定义了扫描的范围，本例中从-40deg到+40deg。

E.回到优化设置对话框，选择优化条件“Condition”为“Minimize”；

· “Minimize/Maximize”只能用于单个计算量优化的情况

· 优化只能支持一维的范围缩减，也就是说，不支持嵌套范围函数

· 以上的限制意味着“Minimize/Maximize”仅能在如下情况选择：多个值的计算范围内只能有一个扫描，并且在计算表达式中采用了范围缩减函数

F.在“Variables”选项卡中，需要将定义了相对坐标系的变量勾选“Include”，搜索范围限定在沿着Z 轴5~10in的范围内；

G.在“General”选项卡中，如果不勾选“Updatedesign parameters value after optimization”，就可以看到仿真进程图。

(4)求解并查看结果

A.右键单击Optimization设置，点击“Analyze”，开始优化计算；

B.再次右键点击，选择“ViewAnalysis Result”，查看后分析对话框，选择“Plot”，查看仿真进程。从“Table”形式的结果中，能够看到当Cost最小时的相位中心Z坐标值。

3.小结

HFSS优化法快速确定天线的相位中心的操作流程总结如下：

步骤：

1、定义用后处理变量表示的相对坐标系；
2、远场设置中采用已设好的相对坐标系；
3、设置一个优化计算用以搜索相位中心；
4、求解优化设置并查看相位中心的结果。

关键点：

1、相对坐标系；
2、后处理变量；
3、优化。