電磁場(chǎng)HFSS試驗(yàn)報(bào)告材料

1、實(shí)用文檔實(shí)驗(yàn)一 T 形波導(dǎo)的內(nèi)場(chǎng)分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步驟及工作流 程。2、掌握 T 型波導(dǎo)功分器的設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和工作原 理。實(shí)驗(yàn)儀器1 、 裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺(tái)2、HFSS15.0 或更高版本軟件3、截圖軟件實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)所要分析的器件是下圖所示的一個(gè)帶有隔片的 T 形波導(dǎo)。 其中，波導(dǎo)的端口 1 是信號(hào)輸入端口， 端口 2 和端口 3 是信號(hào)輸出端 口。正對(duì)著端口 1 一側(cè)的波導(dǎo)壁凹進(jìn)去一塊， 相當(dāng)于在此處放置一個(gè) 金屬隔片。通過調(diào)節(jié)隔片的位置可以調(diào)節(jié)在端口 1 傳輸?shù)蕉丝?2，從 端口 1 傳輸?shù)蕉丝?3 的信號(hào)能量大小，以及反射

2、回端口 1 的信號(hào)能量 大小。T形波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)步驟1、新建工程設(shè)置：運(yùn)行HFSS并新建工程：打開HFSS軟件后，自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)新工程：Projectl ，由主菜單選File'Save as ，保存在指定的文件夾 內(nèi)，命名為 Ex1_Tee;由主菜單選 Project' Insert HFSS Design ， 在工程樹中選擇HFSSModel1點(diǎn)右鍵，選擇 Rename項(xiàng)，將設(shè)計(jì)命 名為 TeeModel。選擇求解類型為模式驅(qū)動(dòng)(Drive n Model):由主菜單選HFSS'Solution Type ，在彈出對(duì)話窗選擇 Driven Model 項(xiàng)。設(shè)置長度單位為in

3、:由主菜單選3D Modeler'Units，在Set ModelUn its對(duì)話框中選中in項(xiàng)。2、創(chuàng)建T形波導(dǎo)模型：創(chuàng)建長方形模型：在Draw菜單中，點(diǎn)擊Box 選項(xiàng)，在Comma nd 頁輸入尺寸參數(shù)以及重命名；在Attribute 頁我們可以為長方體設(shè)置 名稱、材料、顏色、透明度等參數(shù) Tran spare nt (透明度)將其設(shè)為0.8。Material(材料)保持為 Vacuum設(shè)置波端口源勵(lì)：選中長方體平行于 yz 面、 x=2 的平面；單擊 右鍵，選擇 Assign ExcitationWave port 項(xiàng)，彈出 Wave Port 界 面，輸入名稱 WavePort

4、l;點(diǎn)擊積分線(IntegrationLine)下的Newline ，則提示繪制端口，在繪圖區(qū)該面的下邊緣中部即( 2,0,0) 處 點(diǎn)左鍵，確定端口起始點(diǎn)，再選上邊緣中部即 (2,0,0.4) 處，作為端 口終點(diǎn)。復(fù)制長方體：展開繪圖歷史樹的 ModelVacuumTee 節(jié)點(diǎn)，右 鍵點(diǎn)擊 Tee 項(xiàng)，選擇 EditDuplicateAround Axis ，在彈出對(duì)話窗 的Axis項(xiàng)選擇Z,在An gel項(xiàng)輸入90deg,在Total Number項(xiàng)輸入 2,點(diǎn)OK則復(fù)制、添加一個(gè)長方體，默認(rèn)名為 TEE_1重復(fù)以上步 驟,在 Angel 項(xiàng)輸入-90,則添加第 3 個(gè)長方體,默認(rèn)名 Te

5、e_2.合并長方體：鼠標(biāo)右鍵切換到物體選擇狀態(tài)。 選中第 1 個(gè)長方體, 按下 Ctrl 鍵的同 時(shí)選 中第 2、 3 個(gè)長方體 ,由主 菜單 選 3D ModelerBooleanUnite ,則將三個(gè)長方體組合在一起,形成了一個(gè) T型接頭。創(chuàng)建隔片：繪制長方體： Draw/box 命令任意創(chuàng)建一個(gè)長方體, 確定位置參數(shù)：繪圖工程樹雙擊 CreateBox1 在屬性對(duì)話窗口的 Comma nd頁在 Position 項(xiàng)輸入-0.45i n , offset-0.05in , Oin，調(diào)整長方體尺寸; 由 T 型接頭中減去間隔： 在歷史樹中選擇 Tee 項(xiàng), 按 下 Ctrl 鍵 的 同 時(shí)

6、再 選 中 Septum 項(xiàng) 。 由 主 菜 單 選 3D Modeler'Boolean'Subtract ，在彈出對(duì)話窗口中，確定 Tee 在 BiankParts列，Septum在Tool Parts列（即將間隔從型接頭中去掉），點(diǎn) OK完成。3、分析求解設(shè)置：在工程樹中，找到 TeeModelAnalysis 節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)右鍵 ，選擇 AddSolution Setup ，彈出對(duì)話窗。在 General 標(biāo)簽頁的 Solution 項(xiàng)輸入10,默認(rèn)單位為 GHz在Adaptive Solutions的MaximumNumber of Passes 項(xiàng)設(shè)為 3，其它不變，點(diǎn)擊

7、確定。添加掃頻設(shè)置：在工程樹中的 Setup1 項(xiàng)上點(diǎn)右鍵，選擇 Add Fren que ncy Sweep在彈出對(duì)話窗中選擇 Ge neral項(xiàng)，其它具體設(shè)置 默認(rèn)不變；在Type欄選擇Lin ear Step，定義頻率范圍為：8 10GH? 階長0.05GHz點(diǎn)OK完成。設(shè)計(jì)檢查：主菜單選 HFSSValidation Check ，則彈出確認(rèn)檢查 窗口，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行確認(rèn)。全部完成且沒有錯(cuò)誤時(shí)，點(diǎn) Close 結(jié)束。4、運(yùn)行仿真分析：由主菜單選 HFSSAnalyze all ，對(duì)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行三維場(chǎng)分析 求解。求解全部完成后，在信息管理區(qū)會(huì)出現(xiàn)確定信息。5、查看仿真分析計(jì)算結(jié)果：創(chuàng)建一個(gè)

8、 S 參數(shù)的矩形曲線圖； 創(chuàng)建一個(gè)電場(chǎng)視圖； 創(chuàng)建動(dòng)態(tài)演 示場(chǎng)覆蓋圖 內(nèi)場(chǎng)分析結(jié)果1 、 圖形化顯示 S 參數(shù)計(jì)算結(jié)果實(shí)用文檔0.500.380.25mag(S(P ort1,P ortl)Setupl : Sw eep1-mag(S(P ort1,P ort2) Setup1 : Sw eep1-mag(S(P ort1,P ort3) Setup1 : Sw eep10.6300Freq GHz10.00圖形化顯示S參數(shù)幅度隨頻率變化的曲線DI22、查看表面電場(chǎng)分布3.1. 古両SfES2. IMSrWff, l冷？st彌L. T7血皿L.EMUiAaJL.2-3K«403 L.

9、 Jj15*ch»3i.常*7.5 I ll«l乳話“亡加 L. 971 剛皿02 気或I沁3 .-£IC3S. GKMVE-O03 2. DQiMh>S3 2. DDM0E ->QH332.293Hb->«K53i. Erasaam 1I.逾1日由置宕 1 B15iS-G0g：&Mi. GKEZe-002 £B . GKM3 OE »WK!表面場(chǎng)分布圖3、動(dòng)態(tài)演示場(chǎng)分布圖3,40798*003乩蜀均百咖m2,酣H0已也加2, LB殛咖d l,95Z0e*003 1. 丁耳嗪已咖5 1.52304 4

10、1;931.簧1加已也加 1.094自.皿咖立 乩5眄弘咖2 4. 35S9etfSZ 2.ia00et2 .QQDQetSD實(shí)驗(yàn)總結(jié):實(shí)驗(yàn)二T形波導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步驟及工作流 程。2、掌握T型波導(dǎo)功分器的設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和工作原 理。實(shí)驗(yàn)儀器1、裝有windows系統(tǒng)的PC 臺(tái)2、HFSS15.0或更高版本軟件3、截圖軟件實(shí)驗(yàn)原理利用參數(shù)掃描分析功能。分析在工作頻率為10GHz時(shí)，T形波導(dǎo)3個(gè)端口的信號(hào)能量大小隨著隔片位置變量 Offset 的變化關(guān)系。利用 HFSS的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，找出隔片的準(zhǔn)確位置，使得在10GHz工作頻點(diǎn)，T形波導(dǎo)商品3的

11、輸出功率是端口 2輸出功率的兩倍。實(shí)驗(yàn)步驟1 、新建一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程；由主菜單選 FileOpen ，打開第二部分所創(chuàng)建的 Ex1_Tee.hfss 文 件。由主菜單選 FileSave as ，保存在自建文件夾內(nèi)，命名為 OptimTee.hfss ，刪除頻率掃描。2、參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析：在工程樹中選 Optimetrics 項(xiàng)上點(diǎn)右鍵，選擇 AddParametrie 項(xiàng)添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)。定義輸出變量：添加變量掃描定義：在對(duì)話窗的 SweepDefinitions標(biāo)簽頁，點(diǎn)擊Add,在新彈出窗口中已經(jīng)默認(rèn)調(diào)節(jié)變量為offset選擇Lin ear step 項(xiàng)，變量范圍設(shè)為0 1,

12、階長為0.1 , 單位均為in，點(diǎn)擊Add，則在窗口右側(cè)加入調(diào)節(jié)變量及其設(shè)置。點(diǎn) OK。定義輸出變量：在 Calculations 標(biāo)簽頁（注：設(shè)置頁面可以在 工程樹下 Opimetrics/ParametricSetup1 打開）,點(diǎn)擊左下角 Setup Calculation ,則彈出 Add/Edit Calculations 對(duì)話窗。點(diǎn)擊左下角 Output Variables ,彈出 Output Variables 對(duì)話框,定義 Power11、 Power21、Power31 變量.運(yùn)行參數(shù)掃描分析：在工程樹中的 ParametricSetup1 項(xiàng)上點(diǎn)擊 右鍵，選擇 Analy

13、ze ，對(duì)參數(shù)設(shè)置中變量掃描定義的每一個(gè)變量進(jìn)行3D場(chǎng)分析求解。全部完成后，在信息管理區(qū)會(huì)出現(xiàn)確定信息。創(chuàng)建 S 參數(shù)與 Offset 變量的關(guān)系曲線圖：在工程樹的 Results 項(xiàng)點(diǎn)右鍵，選擇 Create Modal data Report 項(xiàng)選擇 Rectangular Plot ， 點(diǎn)0K完成，則彈出對(duì)話窗默認(rèn)選擇 Trace選項(xiàng)。3、優(yōu)化設(shè)計(jì)：添加優(yōu)化變量： 由主菜單選 HFSSDesign Properties ，在彈出 對(duì)話窗選擇 Optimization 項(xiàng)，在 offset 欄勾選 Include 項(xiàng)，點(diǎn)擊確 定完成。添加目標(biāo)函數(shù)：這里的優(yōu)化目標(biāo)是端口 3的輸出功率是端口

14、2的 2倍，目標(biāo)函數(shù)為：Power31-2*Power2仁0。優(yōu)化設(shè)置的對(duì)話框下在 Goals 標(biāo)簽頁， 點(diǎn)擊左下角 Setup Calculation 選項(xiàng)，彈出 Add/Edit Calculation 對(duì)話框，點(diǎn)擊左下角 Output vadiables ，創(chuàng)建新的一個(gè) 目標(biāo)變量，Nam中為：Cost，通過 Insert into Expression選項(xiàng)在Expression欄中寫入表達(dá)式：Power31-2*Power21。然后點(diǎn)擊 Add, 最后點(diǎn)擊右下方Dona返回到Add/Edit Calculation 對(duì)話框，點(diǎn)擊 下方 Add Calculation ,添加目標(biāo)變量到 S

15、etup Optimization 對(duì)話 框 Cost 中。設(shè)置優(yōu)化變量的取值范圍： 選擇 Variables 標(biāo)簽頁,在 Variable 列只有 offset 變量,勾選 Override 項(xiàng),在 starting Value 列輸入 0.1。Min中：0，Max中：0.3,ofset 變化范圍在0到0.3in之間。運(yùn)行優(yōu)化分析：在工程樹的OptimizationSetupl項(xiàng)上點(diǎn)右鍵，選擇Analyze，進(jìn)行優(yōu)化分析。此過程需要幾分鐘，可進(jìn)行下面的實(shí)驗(yàn)步驟。在工程樹的OptimizationSetup1項(xiàng)上點(diǎn)右鍵，選擇View AnalysisResult，察看優(yōu)化結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果0.00

16、 _ _ .0.00-0.20°0.40'0.6。°°°°0.80°°''1.00Offset in0.201、創(chuàng)建功率分配隨變量Offset變化的關(guān)系圖power range with offsetXY Plot 4HFSSDesign11.00Curve Info1 pow er11 Setup1 : LastAdaptiveFreq='10GHz' pow er21Setup1 : LastAdaptiveFreq='10GHz'pow er31 Setup1 :

17、 LastAdaptive Freq='10GHz'3o o6 4 a a rewop輸出變量隨變量Offset變化的關(guān)系圖分析：從上圖所示的圖可以看出，當(dāng)變量 Offset值逐漸變大時(shí)， 即隔片位置向端口 2移動(dòng)時(shí)，端口 2的輸出功率逐漸減小，端口 3的 輸出功率逐漸變大；當(dāng)隔片位置變量 Offset超過0.3英寸時(shí)，端口 1的反射明顯增大，端口 3的輸出功率開始減小。因此，在后面的優(yōu) 化設(shè)計(jì)中，可以設(shè)置變量 Offset優(yōu)化范圍的最大值為0.3英寸。同 時(shí)，在Offset=0.1英寸時(shí)，端口 3的輸出功率約為0.65，端口 2的 輸出功率略大于0.3，此處端口 3的輸出功率

18、約為端口 2輸出功率的 兩倍。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以設(shè)置變量Offset的優(yōu)化初始值為0.1英寸。另外，變量Offset優(yōu)化范圍的最小值可以取0英寸。2、表面電場(chǎng)隨變量 Offset變化Offset=OinOffset=0.3inOffset=0.6 inOffset=0.9in優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果1、優(yōu)化結(jié)果|Qp4 i Ki i 車細(xì) pLfDisplay口回 図Ft i£b1« I r Pkxe09houva3Iril血嗨1Ugihoumire10.2-311ISQ.DOG&I72110 M552D457&3M771 h t).D49K514tli趣4型圧理

19、UW0.0512n B雖Ea再阿勒如 o血切少IEQ 05 30隔咖65亦$芒玉1»6|在 offset=0.093in 時(shí)，目標(biāo)函數(shù)(Cost function ):E HieMn_pflr_n1 53 WPower31-2*Power2仁0.000003達(dá)到預(yù)期優(yōu)化效果。2、優(yōu)化后電場(chǎng)分布3. 27MIS+0033 96We+003 2.2. 6E60S+0032. 250?e+0032.1.3155+0031. 63Be+DS31. 4*323e +003 lZ；77etB03 ±.毗幻"0的 B-1BM54+00?6.H - 09Z；e+0©Z2

20、. E14Ble+BS2 0 0£C0e+900實(shí)驗(yàn)總結(jié):實(shí)驗(yàn)三半波偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單搭建天線仿真環(huán)境的方法， 主要是熟悉日HFSS軟件的使 用方法2、了解利用HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)和仿真天線的原理、過程和方法3、通過天線的仿真，了解天線的主要性能參數(shù)，如駐波比特性、smith 圓圖特性、方向圖特性等4、通過對(duì)半波偶極子天線的仿真，學(xué)會(huì)對(duì)其他類型天線仿真的方法實(shí)驗(yàn)儀器1、裝有windows系統(tǒng)的PC臺(tái)2、HFSS 15.03、截圖軟件實(shí)驗(yàn)原理本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為3GHZ的半波偶極子天線。天線沿著Z軸放置，中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，天線材質(zhì)使用理想導(dǎo)體，總長度為0.

21、48 入，半徑為入/200。天線饋電米用集總端口激勵(lì)方式，端口距離為 0.24mm,輻射邊界和天線的距離為入/4。首先明白一點(diǎn)：半波偶極子天線就是對(duì)稱陣子天線2、對(duì)稱振子是中間饋電，其兩臂由兩段等長導(dǎo)線構(gòu)成的振子天線。一臂的導(dǎo)線半徑為入/200。長度為1=0.48入。兩臂之間的間隙很小， 理論上可以忽略不計(jì)，所以振子的總長度L=21。對(duì)稱振子的長度與波長相比擬，本身己可以構(gòu)成實(shí)用天線。3、在計(jì)算天線的輻射場(chǎng)時(shí)，經(jīng)過實(shí)踐證實(shí)天線上的電流可以近似認(rèn) 為是按正弦律分布。取圖1的坐標(biāo)，并忽略振子損耗，則其電流分布 可以表示為：/(z) = /msinA(Z|z|) =IM sin kl z)lm si

22、nk(/ + z)式中，Im為天線上波腹點(diǎn)的電流;k為相移常數(shù)、根據(jù)正弦分布 的特點(diǎn)，對(duì)稱振子的末端為電流的波節(jié)點(diǎn)；電流分布關(guān)于振子的中心 店對(duì)稱;超過半波長就會(huì)出現(xiàn)反相電流。4、在分析計(jì)算對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)時(shí)，可以把對(duì)稱振子看成是由無數(shù) 個(gè)電流I(z),長度為dz的電流元件串聯(lián)而成。利用線性媒介中電磁 場(chǎng)的疊加原理，對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)是這些電流元輻射場(chǎng)之矢量和。圖2對(duì)稱振子輻射場(chǎng)的計(jì)算如圖2所示，電流元I(z)所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為，空3絲土竺sin %其中 FWIXOSO5、方向函數(shù)f<0)cos( kl cos 0) 一 cos( kl)60/sin 0實(shí)驗(yàn)步驟1、設(shè)計(jì)變量(以表格的形式列出

23、來)BaineValueIfnitEvaluated V.TypeDescripti oaRead-jMilyHid軸lamb lai100ITAIMmmDesigTLr廠Jlength0.4S*la.48mDesignr廠gap0.2電0.2:4mmDesignr廠dip.ltncth,23 ee»Otxipir廠dipadiuslambda/2000. 5mmDesignr廠t 且 d_radius.dipjrad.25.5mmDesignr廠radh-ti ghl34amD«E9 pir廠- 設(shè)置求解類型為Driven Model類型，并設(shè)置長度單位為毫米提前定義對(duì)稱

24、陣子天線的基本參數(shù)并初始化、創(chuàng)建偶極子天線模型，其中偶極子天線的另外一個(gè)臂是通過坐標(biāo)軸復(fù)制來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)置端口激勵(lì)（附以截圖）半波偶極子天線由中心位置饋電，在偶極子天線中心位置創(chuàng)建一個(gè)平 行于YZ面的矩形面作為激勵(lì)端口平面。4、設(shè)置輻射邊界條件（截圖）要在HfSS中計(jì)算分析天線的輻射場(chǎng)，則必須設(shè)置輻射邊界條件。這里創(chuàng)建一個(gè)沿Z軸放置的圓柱模型，材質(zhì)為空氣。把圓柱體的表面設(shè)置為輻射邊界條件外加激勵(lì)求解設(shè)置分析的半波偶極子天線的中心頻率在3GHz同時(shí)添加2.5 GHz:八3.5 GHz:頻段內(nèi)的掃頻設(shè)置，掃頻類型為快速掃頻。5、設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算6、HFSS天線問題的數(shù)據(jù)后處理（截圖，并做相應(yīng)的

25、說明）具體在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中闡釋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、回波損耗S11回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，是 一對(duì)線自身的反射，是天線設(shè)計(jì)需要關(guān)注的參數(shù)之一。I-圖中所示是在2.5 GHz八3.5 GHz頻段內(nèi)的回波損耗，設(shè)計(jì)的偶極子天線中心頻率約為3GHz, S11<-10dBd的相對(duì)帶寬BW=3.25-2.775) /3*1000/=15.83%2、電壓駐波比駐波比，一般指的就是電壓駐波比，是指駐波的電壓峰值與電 壓谷值之比。由圖可以看到在3G赫茲附近時(shí)，電壓駐波比等于1,說明此處接近行波，傳輸特性比較理想。3、smith圓圖史密斯圓圖是一種計(jì)算阻抗、反射系數(shù)等參量的簡(jiǎn) 便圖解方法

26、。采用雙線性變換，將z復(fù)平面上。實(shí)部r=常數(shù)和虛部x二常數(shù)兩族正交直線變化為正交圓并與：反射系數(shù)|G|=常數(shù)和虛部X= 常數(shù)套印而成。從smith圓圖可以看到，在中心頻率 3G赫茲時(shí)的歸一化阻抗約 為1,說明端口的阻抗特性匹配良好。4、輸入阻抗傳輸線、電子電路等的輸入端口所呈現(xiàn)的阻抗。實(shí)質(zhì)上是個(gè)等效阻抗。只有確定了輸入阻抗，才能進(jìn)行阻抗匹配圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部， 在中心頻率3G赫茲時(shí)，輸入阻抗比較的理想，容易實(shí)現(xiàn)匹配。5、方向圖方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示，他可以形象描繪天線輻射 特性隨著空間方向坐標(biāo)的變化關(guān)系。輻射特性有輻射強(qiáng)度、場(chǎng)強(qiáng)、相 位和極化。通常討論在遠(yuǎn)場(chǎng)半徑為常數(shù)的大球面上，天線輻射（或接收）的功率或者場(chǎng)強(qiáng)隨位置方向坐標(biāo)的變化規(guī)律，并分別稱為功率方 向圖和場(chǎng)方向圖。天線方向圖是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)確定的， 所以又叫遠(yuǎn)場(chǎng)方向電場(chǎng)方向圖:HFSSDBEign?Radiation Pattern 1GunelnrtodBCOhnToW 黑hQ*l LM1A艙D問電 Frpqa-IGWPliisiiMPtf由圖可以看到，電場(chǎng)方向以Z軸為對(duì)稱軸，在XOY平面上電場(chǎng)最強(qiáng)，且沿四周均勻輻射。但沿著Z軸方向電場(chǎng)強(qiáng)度很弱。磁場(chǎng)方向圖:HFSSDesi2 *Radiation Pattern 2ln*oidBfG-aJnTolal)Seiup