天線罩是用來保護天線的一種介質外殼，使天線避免在各種惡劣環(huán)境條件下可能造成的損壞，但是天線罩的存在也會影響天線的電性能，包括輻射方向圖、功率傳輸損耗、瞄準誤差等。隨著ANSYS HFSS 軟件在天饋系統(tǒng)設計中的普及，針對天線及其前端饋電網絡的基于仿真的設計流程已經日趨成熟。先進的設計手段也促進射頻模塊不停地向更高性能、更高集成度的方向發(fā)展。隨著天線指標的不斷提高，天線罩的電磁設計，尤其是天線罩與天線或天線陣的一體化設計和聯合仿真已經成為迫切需要解決的課題。

天線罩作為復雜天線系統(tǒng)的重要組成部分，其電磁設計也具有相當的難度。很多天線罩是電大尺寸與復雜材料的混合體，同時，當其內部為波導裂縫天線陣時，還需要考慮天線的轉動角度，其轉動引起的瞄準誤差和瞄準誤差斜率對計算精度的要求高，采用全波仿真技術對天線陣帶天線罩進行整體精確仿真是必要的。其產生的大規(guī)模計算和大的仿真任務量需要通過先進的算法及并行求解技術實現。

1.新功能3D Component更快實現天線罩與天線陣一體化建模

在通常的研發(fā)流程中，天線罩與天線或天線陣往往是不同設計小組開發(fā)，而在天線罩的電性能研究中，需要將天線或天線陣與天線罩一體化進行考慮，才能獲得更為精確且可靠的結果，因為只有這樣才能將復雜的近場效應考慮在內。因而，仿真模型的安全傳遞成為了實際研發(fā)過程中必須要解決的問題。

圖：天線罩與波導裂縫陣模型

HFSS中不斷完善的3D Component功能可以將HFSS仿真模型保存為一個3D Component，這個Component中包含了HFSS仿真所需的一切設置與信息，包括三維結構、材料屬性、端口、邊界條件、網格剖分方式、混合算法設置等，可以直接用于新的仿真。在最新的HFSS 2016版本中，3D Component增加了全新的加密功能，除了可以通過密碼保護模型的安全外，還能夠隱藏模型的結構細節(jié)，在3D Component的使用者看來，就像一個黑盒子，卻通過仿真能獲得完整模型的所有性能，從而進一步確保了模型傳遞的安全性，保護知識產權。

圖：3D Component加密設置，可選擇想要隱藏或顯示的結構

本測試案例中，我們將波導裂縫陣的所有內部結構細節(jié)隱藏，僅允許顯示最外面的空氣盒子。

在新的工程文件中，我們分別插入已經保存完好的天線罩及波導裂縫陣的3D Component文件，并調整相對位置，只需要極簡單的幾部操作就完成了天線罩與天線陣的一體化模型的建立，并且無需再進行任何材料屬性、端口、邊界條件等設置，因為這些所有的設置已經隨著3D Component帶到了新的模型中。由于波導裂縫陣的3D Component已經被加密并隱藏內部細節(jié)，所以裝配好的模型中僅能看到未被隱藏的空氣盒子。

模型基本信息如下：

天線罩：單層介質罩，高650mm，底面直徑320mm，厚度約2.5mm；

波導縫隙陣：圓形口徑，直徑185mm，四端口饋電；

工作頻段：15GHz。

圖：3D Component裝配好的一體化模型，天線陣內部細節(jié)被完全隱藏

2. FEM-IE混合算法減少求解空間

電大尺寸介質天線罩在仿真算法方面，HFSS的FEM-IE混合算法是最佳的選擇。以PO、UTD為代表的高頻漸進算法僅能對純金屬的電大尺寸問題有效，無法仿真具有介質結構的天線罩，加之電磁波束多次反射導致在天線罩內部的路徑復雜，傳統(tǒng)基于射線理論的高頻算法很難處理；單純的矩量法在解算多層介質結構時很難生成格林函數，且難以解算具有任意三維曲面的介質結構及波導裂縫陣這樣的內腔問題；有限元法非常擅長于任意三維結構的求解及天線陣問題，但由于求解空間過大而帶來的巨大運算量會降低仿真效率。

與單一的全波有限元或矩量法相比，HFSS中混合了有限元和積分方程兩種全波算法的混合算法能夠減小求解空間尺寸，降低運算量，減少時間域資源的消耗。HFSS中通過FE-BI邊界技術，在邊界內部采用有限元算法，邊界表面采用積分方程算法，天線罩與天線之間大量的空氣區(qū)域可從有限元求解域中去除，并且能夠與天線完全共形。

圖 ：FE-BI邊界(左)與有限元輻射邊界(右)相比能夠顯著減小求解空間