微波技術(shù)及天線仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、微波技術(shù)與天線HFSS仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)二 H面T型波導(dǎo)分支器設(shè)計(jì)專業(yè)電子信息工程年級(jí)14級(jí)姓名趙廣元學(xué)號(hào)1428403058指導(dǎo)老師評(píng)分一仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的使用HFSS設(shè)計(jì)一個(gè)帶有隔片的H面T型波導(dǎo)分支器，首先分析隔片位于T型波導(dǎo)正中央，在810GHz的工作頻段內(nèi)，波導(dǎo)輸入輸出端口的S參數(shù)隨頻率變化的關(guān)系曲線以及10GHz時(shí)波導(dǎo)表面的電場(chǎng)分布；然后通過(guò)參數(shù)掃描分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)功能分析在10GHz處輸入輸出端口的S參數(shù)隨著隔片位置變化而變化的關(guān)系曲線；最后利用HFSS優(yōu)化設(shè)計(jì)功能找出端口三輸出功率是端口二輸出功率兩倍時(shí)隔片所在位置。2 設(shè)計(jì)模型簡(jiǎn)介整個(gè)H面T型波導(dǎo)分為兩個(gè)部分：T型波導(dǎo)模型，隔片

2、。見(jiàn)圖1。圖13 建模和仿真步驟1. 運(yùn)行HFSS并新建工程，把工程另存為Tee.hfss。2. 選擇求解類型：主菜單HFSSsolution typedriven modal，設(shè)置求解類型為模式驅(qū)動(dòng)。3. 設(shè)置長(zhǎng)度單位：主菜單modelerunitsin，設(shè)置默認(rèn)長(zhǎng)度單位為英寸。4. 創(chuàng)建長(zhǎng)方體模型1）從主菜單選擇drawbox，進(jìn)入創(chuàng)建長(zhǎng)方體模型的工作狀態(tài)，移動(dòng)鼠標(biāo)到HFSS工作界面的右下角狀態(tài)欄，在狀態(tài)欄輸入長(zhǎng)方體的起始點(diǎn)坐標(biāo)為（0，-0.45,0），按下回車鍵確認(rèn)之后在狀態(tài)欄輸入長(zhǎng)方體的長(zhǎng)寬高分別為2,0.9，0.4。2）再次按下回車鍵之后，在新建長(zhǎng)方體的屬性對(duì)話框修改物體的位置，尺寸

3、，名稱，材料和透明度等屬性。在attribute選項(xiàng)卡中將長(zhǎng)方體名稱項(xiàng)（name）修改為Tee，材料屬性（material）保持為真空（vacuum）不變，透明度（transparent）設(shè)置為0.4。3）設(shè)置端口激勵(lì)4）復(fù)制長(zhǎng)方體第二個(gè)和第三個(gè)臂5）合并長(zhǎng)方體5.創(chuàng)建隔片1）創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體并設(shè)置位置和尺寸2）執(zhí)行相減操作上訴步驟完成后即可得到H面T型波導(dǎo)的三維仿真模型圖如圖2所示圖26. 分析求解設(shè)置1） 添加求解設(shè)置：在工程管理窗口中展開(kāi)工程并選中analyse節(jié)點(diǎn)，單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇add solution type并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，完成后工程管理窗口的analyse節(jié)點(diǎn)下會(huì)

4、添加一個(gè)名稱為setup1的求解設(shè)置項(xiàng)2） 添加掃頻設(shè)置：在工程管理窗口中展開(kāi)analysis節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊前面添加的setup1求解設(shè)置項(xiàng)，在彈出菜單中單擊add frequency sweep，并設(shè)置sweep name，sweep type，等參數(shù)。Frequency setup項(xiàng)作表1所示的設(shè)置。TypeLinearsetupStart8GHzStop10GHzStep size0.01GHz表13） 設(shè)計(jì)檢查7. 運(yùn)行仿真分析：HFSSanalyze all4 仿真結(jié)果分析1. 圖形化顯示S參數(shù)計(jì)算結(jié)果圖3為S11，S12，S13幅度隨著頻率變化的曲線。從圖中可以看出，隨著頻率的增加

5、，S11，S12的幅度略有降低，S13的幅度有明顯上升。圖32. 查看表面電場(chǎng)分布圖4位T型波導(dǎo)上表面場(chǎng)分布情況，圖5為動(dòng)態(tài)演示場(chǎng)分布圖。從場(chǎng)分布圖中可以看出，信號(hào)從端口1進(jìn)入，分別從端口2和端口3輸出。通過(guò)調(diào)整隔片的位置可以調(diào)節(jié)從端口1傳輸?shù)蕉丝?，端口3的信號(hào)能量大小。圖4-T型波導(dǎo)上表面場(chǎng)分布情況圖5-動(dòng)態(tài)演示場(chǎng)分布圖五參數(shù)掃描研究使用HFSS optimetrics模塊的參數(shù)掃描分析功能，分析T型波導(dǎo)端口的輸出功率和隔片位置之間的關(guān)系。功率分配隨變量offset變化的關(guān)系如圖6：圖6-功率分配隨變量offset變化關(guān)系六優(yōu)化設(shè)計(jì)添加優(yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出端口3的輸出功率是端口2

6、輸出功率兩倍的隔片位置。優(yōu)化分析完成之后，在table列表里會(huì)列出變量offset優(yōu)化后的最佳值。本例中，從圖7優(yōu)化結(jié)果中可以看出，當(dāng)變量offset=0.96in時(shí)，T型波導(dǎo)端口3的輸出功率是端口2的輸出功率的兩倍。圖77 總計(jì)和思考通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，對(duì)HFSS的工作界面，操作步驟以及工作流程有了一個(gè)整體的直觀的認(rèn)知。期待在后面的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)不斷的深入學(xué)習(xí)，進(jìn)一步理解設(shè)計(jì)的原理。微波技術(shù)與天線HFSS仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)三 半波偶極子天線設(shè)計(jì)專業(yè)電子信息工程年級(jí)14級(jí)姓名趙廣元學(xué)號(hào)1428403058指導(dǎo)老師評(píng)分一仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的使用HFSS設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為3GHz的半波偶極子天線。并查看天線的

7、回波損耗，電壓駐波比，Smith圓圖，輸入阻抗，以及方向圖等其他參數(shù)。2 設(shè)計(jì)模型簡(jiǎn)介整個(gè)半波偶極子由偶極子天線和輻射邊界組成，如圖1。天線各部分的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1.圖1變量意義變量名變量值（單位：mm）工作波長(zhǎng)Lambda100天線總長(zhǎng)度length0.48*lambda端口距離gap0.24單個(gè)極子長(zhǎng)度dip_lengthlength/2-gap/2天線半徑dip_radiuslambda/200輻射邊界圓柱體半徑rad_radiusdip_radius+lambda/4輻射邊界圓柱體高度/2rad_heightdip_length+gap/2+lambda/10表13 建模和仿真步驟5.

8、新建設(shè)計(jì)工程1）運(yùn)行HFSS并新建工程，把工程另存為dipole.hfss。2）選擇求解類型：主菜單HFSSsolution typedriven modal，設(shè)置求解類型為模式驅(qū)動(dòng)。3）設(shè)置模型長(zhǎng)度單位：主菜單modelerunitsmm，設(shè)置默認(rèn)長(zhǎng)度單位為毫米。2.添加和定義設(shè)計(jì)變量1）從主菜單選擇HFSSdesign properties命令，打開(kāi)設(shè)計(jì)屬性對(duì)話框添加變量Lambda2）使用相同的操作步驟定義變量length，gap，dip_length，dip_radius，rad_radius，rad_height，并設(shè)置初始值分別為0.48*lambda，0.24，length/2-

9、gap/2，lambda/200，dip_radius+lambda/4，dip_length+gap/2+lambda/10。3.設(shè)計(jì)建模1）創(chuàng)建偶極子天線模型2）設(shè)置端口激勵(lì)3）設(shè)置輻射邊界條件4.求解設(shè)置：分析的半波偶極子的天線在3GHz附近，所以設(shè)置求解頻率為3GHz，同時(shí)添加2.5GHz3.5GHz的掃頻設(shè)置，掃頻類型選擇快速掃頻，分析天線在2.5GHz3.5GHz頻段內(nèi)的回波損耗和電壓駐波比。1）求解頻率和網(wǎng)格剖分設(shè)置：設(shè)置求解頻率為3GHz，自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)剖分的最大迭代次數(shù)為20，收斂誤差為0.02。2）掃頻設(shè)置：掃頻類型選擇快速掃頻，掃頻頻率范圍為2.5GHz3.5GHz，頻率步進(jìn)

10、為0.001GHz。5.設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算4 仿真結(jié)果分析1. 回波損耗從圖2可以看出，設(shè)計(jì)的偶極子天線的中心頻率約為3GHz,S11-10dB的相對(duì)帶寬BW=（3.249-2.789）/3=15.3%。圖22. 電壓駐波比VSWR由圖3可以看出,在中心頻率為3GHz時(shí)，電壓駐波比約為1.圖33. Smith圓圖從Smith圓圖的結(jié)果圖4可以看出，在中心頻率為3GHz時(shí)的歸一化阻抗約為1，說(shuō)明天線的端口阻抗匹配良好。VSWR2（即反射系數(shù)|T|1/3）的頻率范圍約為2.78GHz-3.27GHz.圖44. 輸入阻抗從結(jié)果報(bào)告圖5中可以看出，設(shè)計(jì)的半波偶極子天線在中心頻率3GHz上，輸入阻抗

11、為（72.8-j0.4），和理論分析結(jié)果十分相近。圖55. 方向圖1） 半波偶極子X(jué)Z面的增益方向圖如圖6圖62） 半波偶極子X(jué)Y面的增益方向圖如圖7圖73） 三維增益方向圖如圖8圖85 總結(jié)和思考本次實(shí)驗(yàn)在第一次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上查看了天線的回波損耗，電壓駐波比，Smith圓圖，輸入阻抗，以及方向圖等其他參數(shù)。對(duì)這些參數(shù)的分析更加深刻的體會(huì)到了HFSS強(qiáng)大的仿真功能，對(duì)相關(guān)模型的參數(shù)分析也幫助自己進(jìn)一步理解了模型分析的原理。微波技術(shù)與天線HFSS仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)四 八木-宇田天線設(shè)計(jì)專業(yè)電子信息工程年級(jí)14級(jí)姓名趙廣元學(xué)號(hào)1428403058指導(dǎo)老師評(píng)分一仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的學(xué)習(xí)理解八木天線的原理及

12、結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為3GHz的五元八木天線，根據(jù)給定的增益、波瓣寬度、福瓣寬度、前后輻射比、駐波比以及工作帶寬確定天線的振子數(shù)、各振子長(zhǎng)度及直徑、各振子間的間距等幾何尺寸。二設(shè)計(jì)模型簡(jiǎn)介設(shè)計(jì)模型如圖1，有源振子采用圓柱形對(duì)稱偶極子，偶極子采用集總波端口激勵(lì)；反向器和引向器均為金屬圓柱，振子垂直于xy平面，天線的引向器指向y軸的正方向，金屬振子材料為鋁；選擇長(zhǎng)方形作為輻射空氣腔并設(shè)置輻射邊界。該天線的工作頻率為3GHz，所以我們?cè)O(shè)置求解中心頻率為3GHz，并設(shè)置掃頻范圍為2.5-3.5GHz。定義的相關(guān)設(shè)計(jì)變量如表1。圖1-五元八木天線的結(jié)構(gòu)八木天線的結(jié)構(gòu)尺寸：變量意義變量名變量值（單位：m

13、m）工作波長(zhǎng)lambda100反射器長(zhǎng)度LR0.5*lambda偶極子長(zhǎng)度L00.475*lambda反射器1長(zhǎng)度L10.4*lambda反射器2長(zhǎng)度L20.37*lambda反射器3長(zhǎng)度L30.34*lambda反射器和偶極子間距dR0.18*lambda偶極子與第一個(gè)引向器間距d10.18*lambda第一個(gè)引向器間距與第二個(gè)引向器間距d20.18*lambda第二個(gè)引向器間距與第三個(gè)引向器間距d30.21*lambda圓柱體半徑rad0.01*lambda激勵(lì)端口平面高度gap0.4表1三建模和仿真步驟1. 新建HFSS工程設(shè)計(jì)并保存1) 創(chuàng)建新工程并命名為Model_Antenna2)

14、 設(shè)置求解類型3) 模型長(zhǎng)度單位2. 建模的相關(guān)選項(xiàng)設(shè)置3. 定義設(shè)計(jì)變量4. 設(shè)置模型的默認(rèn)材料5. 創(chuàng)建有源對(duì)稱振子1）創(chuàng)建對(duì)稱振子的單臂模型2)復(fù)制生成偶極子的另一個(gè)臂6. 創(chuàng)建反射器模型7. 創(chuàng)建3個(gè)引向器的模型8. 設(shè)置集總端口激勵(lì)1)創(chuàng)建端口激勵(lì)平面2)設(shè)置集總端口激勵(lì)的積分線9. 設(shè)置輻射邊界條件1)創(chuàng)建長(zhǎng)方體空腔2)設(shè)置輻射邊界條件10. 仿真的基本設(shè)置1)求解設(shè)置2)掃頻設(shè)置：2.5GHz-3.5GHz,步長(zhǎng)0.1GHz3)仿真有效性驗(yàn)證及分析計(jì)算四仿真結(jié)果分析1.天線S11參數(shù)的掃頻曲線由圖2可以看出，八木天線的諧振點(diǎn)位于2.8GHz左右。與期望的中心頻率3GHz還存在一定

15、差距。圖2-天線S11參數(shù)的掃頻曲線2.電壓駐波比曲線圖3-電壓駐波比曲線5 參數(shù)掃描分析1. 對(duì)變量dR進(jìn)行掃描分析由圖4掃描分析結(jié)果可以看出，不同dR值對(duì)應(yīng)的S11掃頻曲線諧振點(diǎn)均位于2.8GHz左右。與期望的中心頻率3GHz還存在一定差距。圖4-不同dR值對(duì)應(yīng)的S11掃頻曲線2. 對(duì)變量L0進(jìn)行掃描分析由圖5可以看出，天線諧振頻率隨有源振子的長(zhǎng)度增加而降低。當(dāng)L0=44.5mm時(shí)，諧振頻率約為3GHz.圖5-不同L0對(duì)應(yīng)的S11掃頻曲線6 優(yōu)化設(shè)計(jì)1. 指定優(yōu)化變量：將L0指定為優(yōu)化變量，優(yōu)化范圍為43.5mm-45mm。2. 添加優(yōu)化設(shè)置3. 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)4. 查看優(yōu)化結(jié)果:由圖6可知HFSS優(yōu)化設(shè)計(jì)一共進(jìn)行了20次的迭代計(jì)算，其中第七次迭代計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)S11的數(shù)值最小，為44.440.圖65.應(yīng)用并查看優(yōu)化后的天線指標(biāo)1） 天線的S11參數(shù)：由圖7可見(jiàn)，S11的最小值位于3GHz處，最小值為-15.8dB,實(shí)現(xiàn)了天線在3GHz時(shí)的諧振。圖7-天線S11的參數(shù)掃頻曲線2） 天線的三維