Tutorial Antena Dipolo HFSS Simulação Traduzido

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Tutorial 
 
Antena Dipolo 
 
 
 
 
 
 
 
 
Janeiro de 2016 
 
Introdução 
 
 
 Neste tutorial, uma antena dipolo será construída e analisada usando o software 
de simulação HFSS da Ansoft. O exemplo ilustrará a simplicidade e o poder do HFSS 
através da construção e simulação desta estrutura de antena (dipolo). As notas a seguir 
fornecerão um breve resumo dos objetivos. 
 
• Navegação geral de menus, barra de ferramentas e teclas rápidas. 
• Atribuição de variável. 
• Visão geral de comandos usados para criar estruturas. 
• Projeto adequado e implementação de fronteiras. 
• Configuração de análise. 
• Criação de relatório e opções. 
 
 
 
Criando o Projeto 
 
 Após abrir o programa, a seguinte interface irá aparecer. 
 
 
 
 
 
 A janela Project Manager exibe a estrutura do projeto aberto, a qual é chamada 
de árvore de projeto. Ela exibe detalhes sobre todos os projetos HFSS abertos. Cada 
projeto inclui, em última instância, um modelo geométrico, suas condições de fronteira 
e atribuições de material, e ainda soluções de campo e pós-processamento de 
informações. 
 A janela Properties exibe atributos, ou propriedades, de um item selecionado na 
árvore de projeto, no histórico da árvore, ou a janela 3D Modeler. 
 O espaço central será o local onde o projeto será feito. 
 A partir da janela Project Manager, clique com o botão direito do mouse no 
arquivo de projeto, inicializado com o nome “Project 1”, e selecione Save as a partir 
do sub menu. Nomeie o arquivo como “dipolo” e clique em Save para salvar. Seu 
projeto será salvo em “Documentos” em seu computador. Sempre que for abrir algum 
projeto já feito, vá até esta pasta, e procure a pasta “Ansoft”. 
 
 
 
 Para começar a trabalhar com formas geométricas, você deve inserir um projeto 
HFSS. Clique com o botão direito do mouse no arquivo de projeto, agora denominado 
“dipolo”, e selecione Insert → Insert HFSS Design a partir do menu. 
 
 
 
 Um plano cartesiano em três dimensões irá aparecer (X, Y, Z). 
 O menu Solution Type contém vários tipos de solução como Driven Modal, 
Driven Terminal, Eigenmode Solution e Transient. 
 Deve-se optar pelo tipo de solução Driven Modal quando se quiser calcular 
parâmetros S baseados em modais de estruturas passivas e de alta freqüência tais como 
microfitas, ondas guiadas e linhas de transmissão. As soluções da S-matrix serão 
expressas em termos de potência incidente e refletida dos modos de guia de onda. 
 Escolha o tipo de solução Driven Terminal quando quiser calcular parâmetros S 
baseados em terminais de portas de linhas de transmissão individuais e de múltiplos 
condutores. As soluções S-matrix serão expressas em termos de tensões e correntes 
sobre os terminais. 
 Já o tipo de solução Eigenmode deve ser escolhido para calcular o modo 
normal de vibração de um sistema oscilatório, ou seja, a ressonância de uma estrutura. 
O solucionador Eigenmode encontra as frequências de ressonância da estrutura e os 
campos nessas frequências ressonantes. 
 Por fim, o tipo de solução Transient deve ser escolhido para calcular problemas 
no domínio do tempo. Ela emprega um solucionador no domínio do tempo (transiente). 
A opção Transient habilita um botão de opções para análise de rede. Sua escolha afeta 
as opções das configurações. Se você selecionar “Network Analysis”, a configuração 
inclui uma aba de sinal de entrada para simulação. 
Devido à natureza deste projeto, usaremos “Driven Modal” como o tipo de 
solução. A partir do menu HFSS selecione Solution Type. 
 
 
 
 As opções de Solution Type irão aparecer. 
 
 
 
 A opção Driven Modal já vem escolhida por default. Clique OK. 
 Observe agora na janela Project Manager no documento “dipolo” que, logo à 
frente de HFSS Design 1 está escrito entre parênteses o tipo de solução escolhida 
(Driven Modal). 
 
 
 
 
 Para escolher as unidades de medida vá até Modeler no menu e depois em Units. 
Por default, já está escolhido milímetros (mm), mas pode-se mudar para qualquer outra 
desejada. 
 
 
 
 
 O software HFSS depende de variáveis para qualquer parametrização/ 
otimização dentro do projeto. Variáveis também possuem muitos outros benefícios que 
irão torná-las necessárias para todos os projetos. 
 
• Coeficientes e relações fixas (comprimento, largura, altura) são facilmente mantidos 
usando variáveis. 
• Usar variáveis para otimizar o projeto de acordo com critérios definidos pelo usuário. 
• Todas as dimensões podem ser rapidamente alteradas em uma única janela, ao invés 
de se alterar cada objeto individualmente. 
 
 Para criar variáveis, clique no cabeçalho HFSS e selecione Design Properties 
na parte inferior do menu. 
 
 
 
 Isto irá abrir a tabela de variáveis. 
 
 
 
Para adicionar uma variável selecione Add. Escolhe nome, unidade, valor, etc. 
 
 
Adicione todas as variáveis mostradas abaixo. 
 
 
 
Nota: criar variáveis antes de definir a estrutura permitirá ao usuário construir a 
geometria muito mais rapidamente do que usando um sistema fixo. 
 
 A barra de ferramentas 3D Modeler desempenha um papel vital na criação de 
estruturas geométricas dentro do HFSS. Por default, a barra de ferramentas 3D Modeler 
deve ser visível na tela. Se você não conseguir localizar a barra de ferramentas, clique 
com o botão direito do mouse sobre a borda superior das formas e selecione-as a partir 
do menu Draw. 
 
 
 
 Começaremos criando o elemento dipolo usando o botão Draw e depois 
Cylinder na barra de ferramentas. 
 
 
Escolha 3 pontos arbitrários dentro da área de desenho. Estes pontos serão definidos 
usando as variáveis criadas anteriormente, por isso não há necessidade de especificar 
pontos. Entretanto, quando quiser especificá-los, a ordem de determinação destes pontos 
é a seguinte: ponto central, raio e altura. Para cada um destes parâmetros, clique com o 
botão esquerdo do mouse sobre a área de desenho no valor desejado. 
 
 
 
Siga o modelo abaixo para definir o tamanho da estrutura (cilindro). 
Vá até o objeto “Cylinder1”, clique com o lado direito do mouse e escolha Properties. 
 
 
Onde estiver escrito “Cylinder1”, dê o nome de “dip1” e onde estiver escrito “vacuum” 
em material (vácuo), troque por “pec" (Perfect Electric Conductor – Condutor Elétrico 
Perfeito). Isso cria condições ideais para o elemento. 
 
 
 
Depois de clicar em OK vá para o objeto “Create Cylinder”, clique com o lado direito e 
escolha Properties. 
 
 
Entre com as seguintes informações: 
 
 
A estrutura cilíndrica resultante deverá ser algo semelhante à figura abaixo. 
 
 
 
 O próximo comando é essencial para se construir estruturas simétricas. Clique 
na área do desenho (cilindro) com o botão direito Edit → Duplicate → Around Axis. 
 
 
 
Iremos produzir uma imagem duplicada simétrica ao eixo X da seguinte forma: 
 
 
 A estrutura dipolo é ilustrada abaixo. 
 
 
 
 
 
 Idealmente, a estrutura é uma geometria sólida. Uma ranhura foi criada na 
origem, neste exemplo, para permitir a colocação posterior de uma fonte para a 
excitação. 
 
 Agora aprenderemos a criar uma “Lumped Gap Source”. Isto irá fornecer uma 
estrutura de excitação para o dipolo. Comece selecionando o plano YZ a partir da barra 
de ferramentas. 
 
 
 
Usando a barra de ferramentas 3D, clique em Draw Rectangle e coloque dois pontos 
arbitrários dentro da área modelo. 
 
 
 
 
Vá até o objeto “Rectangle1”, clique com o lado direito e escolha Properties. 
 
 
 
Entre com os seguintes valores e dados. 
 
 
 
Vá até o objeto “Create Rectangle” e entre em Properties. 
 
 
Em“Command” digite: 
 
 
 
 
 Note que a variável gap_src foi escolhida como sendo relativamente pequena em 
comparação com a estrutura do dipolo. Isso foi feito para minimizar os efeitos devidos à 
fonte e ênfase local sobre a estrutura. A fonte é mostrada abaixo. 
 
 
 
 
 
 Com a fonte geométrica no local, o usuário deve fornecer uma excitação. Uma 
“Lumped Port” será utilizada no modelo de dipolo. Esta excitação é comumente 
utilizada quando a região de campo distante é de interesse primário. 
 
Primeiro, clique na forma geométrica retangular criada, para que possa ser 
selecionada. Uma vez selecionado o retângulo, vá até o explorador de projetos, clique 
com o lado direito do mouse em Excitation → Assign → Lumped Port 
 
 
Coloque nome na porta de “source” e deixe os valores default de impedância. 
 
 
 
Clique em “Avançar”. Depois, escolha “New Line”. 
 
 
Usando o mouse, posicione o cursor na parte central inferior da porta. O recurso 
de encaixe da Ansoft deve colocar o ponteiro quando o usuário se aproxima do centro 
de qualquer objeto. Clique com o botão esquerdo do mouse para definir a origem do 
vetor de campo E. Mova a cursor para a parte superior central da porta. Clique com o 
botão esquerdo para encerrar o vetor campo E. Clique em concluir para terminar a 
excitação da porta. (Obs.: clicar em “Do Not Renomalize”) 
 Agora será criado um limite de radiação para que a informação de campo 
distante possa ser extraída a partir da estrutura. Para obter o melhor resultado, uma 
fronteira de ar cilíndrica é definida com uma distância de /4. A partir da barra de 
ferramentas, selecione Draw Cylinder e escolha 3 pontos arbitrários dentro da janela 
modelo. 
 
 
Vá até o objeto “Create Cylinder”, clique com o botão direito e escolha Properties. 
 
 
 
Entre com os seguintes valores em “Atribute”. 
 
 
Clique em “Command” e entre com os seguintes valores. 
 
 
 
 
 
O limite deve ser semelhante à ilustração abaixo. 
 
 
 
 Com a geometria completa, o limite de radiação atual pode agora ser atribuído. 
 
 
 Selecione o objeto cilíndrico que agora tem o nome de “radiation”. Sua cor 
mudará. 
Entre em Edit → Select → Faces. 
Depois, entre em Edit → Select → By Name. 
 
 
 
 
 
Selecione “radiation”. Em seguida selecione todas as faces (48, 49 e 50). 
 
 
 
Clique em OK. 
 
 Com todas as faces selecionadas, clique com o botão direito do mouse no ícone 
Boundaries, depois Assign → Radiation. 
 
 
 
 
Deixe o nome padrão e clique OK. 
 
 
 
 
 
 Neste ponto a solução deve ser definida para que se possa exibir os dados. 
Estamos interessados principalmente na resposta em frequência da estrutura. Também 
exploraremos a capacidade do programa HFSS para calcular os parâmetros gerais da 
antena como diretividade, resistência de radiação, eficiência de radiação, etc. 
 A partir do explorador de projetos, na janela “Project Manager”, clique com o 
lado direito do mouse em Analysis → Add Solution Setup. 
 
 
 
 Entre com os seguintes parâmetros. 
 
 
 
 Deixe todas as outras configurações como default. Clique OK. 
 Para exibir a resposta em frequência da estrutura, uma varredura de frequência 
deve ser definida. A partir de Project Manager, clique Setup 1 → Add Frequency 
Sweep. 
 
 
 
Modifique conforme mostrado abaixo. 
 
 
Clique OK. 
 
 Neste ponto, a estrutura está pronta para ser analisada. Antes de executar a 
análise, verifique sempre o seu projeto selecionando a partir da barra de 
ferramentas 3D. Se tudo estiver correto, o resultado da análise será 
 
 
 
 Em seguida, analise a estrutura clicando na barra de ferramentas. 
 
 
 O tempo de análise é em torno de 1 minuto. 
 
 
 
 
 
 Concluída a análise, criaremos um relatório para exibir a frequência de 
ressonância e o padrão de radiação. Todos os resultados da solução estão disponíveis 
para análise. Uma das maneiras de analisar a solução é criar relatórios 2D ou 3D, ou 
representações gráficas, que mostram as relações entre valores de projeto e resultados 
de análises correspondentes. Pode-se criar relatórios usando o comando Create Quick 
Report, ou criar vários outros tipos de relatórios. 
 
 Vá em HFSS → Results → Create Modal Solution Data Report → 
Rectangular Plot. 
 
 
 
 
 
Selecione os seguintes parâmetros em destaque. 
 
 
 
Pode-se observar algumas categorias a serem escolhidas: 
 
Variables → Variáveis intrínsecas tais como frequência ou teta, ou variáveis de projeto 
definidas pelo usuário tais como comprimento do transformador de um quarto de onda. 
 
Output Variables → Expressões definidas pelo usuário aplicadas a quantidades 
derivadas da solução original de campo. 
 
S - Parameters → Parâmetros S provenientes do conjunto S. Para projetos que 
incluem Superfícies Seletivas de Frequência (Frequency Selective Surface – FSS) – 
limite de radiação padrão, S11 e S21 representam os coeficientes de transmissão e 
reflexão extraídos, respectivamente. 
Y - Parameter → Parâmetros da matriz de admitância computados a partir dos 
parâmetros S e das portas de impedância. 
 
Z - Parameters → Parâmetros da matriz de impedância computados a partir dos 
parâmetros S e das portas de impedâncias. 
 
Gamma → Constantes de propagação para os parâmetros S. 
 
Outros parâmetros podem ser consultados e pesquisados a partir do comando Help. 
 
 Após colocar o parâmetro Z e a função real, clique em New Report. 
Ao fundo, o seguinte gráfico em 2D irá aparecer, representando a parte real da 
impedância. 
 
 
 
Ainda com a caixa de diálogo aberta, selecione Z - Parameters → im. Depois New 
Report novamente. 
 
 
 
Se você quiser que os dois gráficos, real e imaginário, sejam plotados num único 
gráfico, ao invés de se criar dois gráficos separadamente, vá em Results → XY Plot2 → 
Im(Z(source, source)) e delete este gráfico. 
 
 
Depois, clique com o botão direito do mouse em XY Plot 1 → re(Z(source, source)) em 
Modify Report. 
 
 
 
Clique em Add Trace. Depois Close. Agora, os dois gráficos estão juntos. 
 
 
 
 A resistência de entrada pode ser diretamente determinada a partir do gráfico. É 
só marcar o ponto onde a componente imaginária cruza o zero. No caso, em torno de 74 
ohms. 
 No próximo passo, iremos plotar S11 versus frequência. Crie um relatório como 
mostrado anteriormente e adicione o seguinte traço: 
 
 
 O gráfico é mostrado abaixo. 
 
 
 
 O ponto de ressonância é quase -16dB, conforme pode ser facilmente visto. Para 
calcular os parâmetros precisos da antena, a entrada deve ser casada. A partir do Project 
Manager, clique com o lado direito do mouse em source e selecione Properties. 
Ajuste a impedância da porta como mostrado: 
 
 
 
 Iremos reanalisar a estrutura com a porta devidamente casada. Se quiser 
preservar a memória e o tempo de cálculo anteriores, clique com o botão direito em 
Analysis → Revert to Initial Mesh no explorador de projetos. 
 
 
 Uma vez reanalizado o projeto, verifique novamente o gráfico S11 versus 
frequência. 
 
 
 
Note que a resposta do ponto de ressonância melhorou para -33dB. 
 
 HFSS tem a capacidade de calcular parâmetros da antena automaticamente. Para 
produzir estes cálculos, o usuário deve definir uma esfera infinita para cálculos de 
campo distante. Clique com o botão direito no ícone Radiation no “Project Manager” e 
selecione Insert Far Field Setup → Infinite Sphere. 
 
 
 
 Modifique conforme abaixo. 
 
 
 
 Depois, clique com o lado direito do mouse em “Infinite Sphere”, Compute 
AntennaParameters... 
 
 
 
 Aceite todos os parâmetros e clique ok. 
 
 
 
 O resultado será apresentado como segue. 
 
 
 
 Podemos observar que a Diretividade de Pico é 1,7493. Cálculos a partir de 
textos de antenas padrão mostrarão um resultado modelo de aproximadamente 1,63. 
Todos os outros parâmetros podem ser vistos como ligeiramente acima da expectativa. 
Ajustes para o limite de radiação podem fornecer maior precisão. 
 
 O Campo Distante será plotado. Crie um relatório conforme mostrado abaixo. 
 
 
 
Results → Create Far Fields Report → Radiation Pattern 
 
Modifique primeiramente em “Families” conforme mostrado abaixo. 
 
 
 
Depois modifique conforme a seguir. 
 
 
 
 O resultado é mostrado abaixo. 
 
 
 
 
 Plotando agora o ganho total, em dB. 
 
 
 
 
 
 Resultado 
 
 
 
 
 
 
 Para plotar um gráfico em 3D, o procedimento é semelhante. 
 
Vá para Results → Create Far Fields Report → 3D Polar Plot 
 
Depois deixe os valores default. 
 
 
 
 
 O resultado é mostrado abaixo. 
 
 
 
 
 
 
 Vários outros parâmetros podem ser analisados na antena. Colocamos aqui 
apenas alguns deles. 
 
 
 
 
 Vamos agora fazer a mesma coisa que fizemos para o dipolo anterior, mas ao 
invés de usar 0,475  para o parâmetro “res_length”, vamos utilizar 5 . 
 
 Basta ir em HFSS → Design Properties, e alterar o valor de “res_length” para 
5. Depois, analise a estrutura de novo. 
 
 
 Os resultados são os seguintes. 
 
 
Impedância (resistência e reatância): 
 
 
 
 
 
S11 versus frequência: 
 
 
 
 
 
 Observe que somente neste intervalo de frequências (25 a 35 GHz) podemos 
observar dois pontos de ressonância. 
 Lembrar que estamos lidando com uma fonte cuja impedância continua sendo 74 
ohms, já que não alteramos este valor quando analisamos o dipolo de 5. 
 
 
 
 
 
 Padrão de Radiação (ganho phi em dB) 
 
 
 
 
 Padrão de Radiação com ganho total: 
 
 
 
 
 Gráfico 3D: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Antena de Plaqueta 
 
(Probe Feed Patch Antenna) 
 
 
 
 
 Antenas de microfita são também chamadas de antenas de plaqueta. O termo em 
inglês é patch, e é comum também o termo antenas patch de microfita. 
 
 As orientações a seguir mostrarão como construir uma antena patch de microfita 
usando o HFSS. 
 
 Com o programa HFSS aberto, clique em Project → Insert HFSS Design na 
barra de ferramentas, da mesma forma que foi feito anteriormente para a antena dipolo. 
 Para definir as opções de ferramenta, vá até Tools → Options → HFSS 
Options, e na aba “General” marque o seguinte ícone: “Duplicate boundaries/ mesh 
operations with geometry”. Clique ok. 
 
 
 
Vá em Tools → Options → Modeler Options, 
que irá abrir a aba “Operations”. Se o ícone 
“Automatically cover closed polyline” estiver 
marcado, vá para a outra aba denominada 
“Drawing”. Marque a opção “Edit Property of new 
primitives”. Isso faz com que a janela “Properties” 
abra automaticamente para novas primitivas. 
Depois clique ok. 
 
 
 
 
 
 O tipo de solução para este exemplo, assim como para o anterior, será o “Driven 
Modal”. Como esta opção já vem marcada por default, não é necessário defini-la. 
 Para definir a unidade de medida, vá até Modeler → Units e altere para cm. 
 
 
 
 
 
 Para definir o material padrão, vá até a barra de ferramentas 3D, e onde está 
escrito “vacuum”, clique e marque em “Select...”. Uma lista com vários materiais irá 
aparecer. Clique no seguinte material: “Rogers RT/ duroid 5880 (tm)”.