大赛获奖作品 | 基于HFSS的相控阵天线仿真模型的降阶复用方法（Ansys及渠道合作伙伴组）

写在前面

经过Ansys技术专家评审、网络投票、以及大会现场观众投票，Ansys   2023全球仿真大会“有奖征集大赛”最终一/二/三等奖项的得主脱颖而出。本届大赛吸引了来自各行业领域的杰出参赛者，分别代表高校组、企业组、Ansys官方及渠道合作伙伴组，他们的作品充分展示了仿真技术在各个领域的广泛应用和创新思维，为行业发展注入了新动力。

此次有奖征集大赛各个组别的入围作品和TOP优秀作品都已收录至Ansys数字资源中心专区，以供广大用户学习和参考。

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有奖征集大赛一等奖作品——Ansys及渠道合作伙伴组

作者：张旭 | 安似科技
作品类型：文本
作品名称：基于HFSS的相控阵天线仿真模型的降阶复用方法
入选理由：把降阶模型应用到HFSS很有创新性，使用脚本进行HFSS仿真数据的自动化导入在实际工程仿真中非常有应用价值。
内容简介：SPDM（Simulation Process and Data Management）在数字化转型和数字孪生中的关键作用，而降阶模型（ROM）则是SPDM领域中进行仿真数据管理的常用技术，可以减少高维度仿真模型的计算复杂性，同时保持准确性。本文提出了使用HFSS SBR+ Solver来实现远场存档的降阶方法，同时介绍了数据导出和导入的操作技巧，以及通过python进行自动化导入的思路和demo。文章总结了通过这种方法可以实现阵列天线模型的降阶存档，保留远场数据的同时提高了效率。


前言

SPDM（Simulation Process and Data Management）在数字化转型和数字孪生中发挥着关键的作用，通过集成、协作、数据管理和优化等功能，提高工程仿真的效率和准确性，支持数字孪生的构建和应用，帮助企业实现更高效、更可靠的产品设计和运营。

在 SPDM 领域，ROM（Reduced Order Model）是一种常用的技术，用于降低高维度仿真模型的计算复杂性，同时保持较高的准确性。降阶模型 ROM 在实际工程仿真中具有广泛的应用，但也有一些要求和限制，其中一些主要要求包括：准确性，计算效率，泛化能力，可扩展性等等。


对于相控阵天线来说，仿真数据通常较大，这使得建立并存储数据变得十分困难。如果仅保存仿真模型数据，后续需要调整阵列天线的幅相以获取新的辐射方向图则需要重新仿真，耗费大量时间和精力。

那么，还有没有其他的方法可以实现远场的存档呢？

其实是有的，做法是导出阵列天线的每个单元方向图，后期需要哪组幅相，就通过对应的哪些单元方向图和阵因子进行合成即可，实现的途径也有很多，最常见的方法就是通过 matlab 或者 python 代码进行合成即可。

那么，有没有更简单和直观的方法实现呢，答案就是 HFSS SBR+ Solver。



HFSS SBR+求解类型

在把阵列的所有单元方向图导出后，可以再分别导入 HFSS SBR 设计中，利用 SBR 求解器进行远场的合成计算。

当然这里也有一些操作技巧需要大家注意：

首先在导出单元方向图的时候，需要根据每一个单元设置自己的相位中心，建议的做法是在每个单元的中心位置建立相对坐标，并设置该坐标为相位中心。在 HFSS2023R1及以后的版本，支持直接设置单元的端口位置为单元的相位中心。



设置单元远场的相位中心



设置端口位置为相位中心

另外，在导出单元方向图的时候，既可以导出单频点的远场数据，也支持多频点导出，可以在导出界面中进行选择。

这里在导出的时候，可以按照子阵的 source group 进行导出，也可以全阵一起导出。



一键导出所有单元方向图

导出的单元方向图数据为*.ffd 文件。



导出单元方向图的数据文件

另外还包含一个头文件，描述了每个单元方向图数据文件名称和与之对应的相位中心在 Gobal 坐标系下的位置坐标。



单元远场方向图的头文件信息

完成单元方向图的导出后，接下来就需要将单元方向图导入到 SBR 设计中了。在这一步中，每一个单元的方向图位置需要按照原始阵列的相对位置进行放置，这样的空间分布相当于描述了阵因子的空间关系部分。



实际模型的单元相对位置

当单元方向图导入后，SBR 会自动渲染单元方向图的形状。当然，阵列的单元数比较多的情况下，手动导入比较繁琐，脚本自动化导入就是一个更好的选择了。

自动化的思路大致如下：



HFSS SBR单元方向图导入自动化思路

代码详见文末。



单元方向图导入后自动渲染

完成了这样的数据导入后，可以根据自己的需求，通过 SBR 求解器进行快速的方向图合成。通常单频点的合成计算在1分钟以内。整个计算的时间随着远场数据的频点数线性增加。



设置远场求解频点


HFSS SBR求解信息

在 SBR 中也支持 Edit Source 进行幅相的调整，从而获取不同幅相权值下的方向图波束赋形。



HFSS SBR中设置各单元的幅相权值


方向图的后处理效果

结论


综上，通过HFSS进行数值仿真后导出各单元的远场方向图，然后利用HFSS SBR进行远场综合的方法，可以在保留远场数据的前提下实现阵列天线模型的降阶存档。

[参考文献]
[1] HFSS Help 2023R2.pdf
[2]HFSS Scripting 2023R2.pdf

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