應用ANSOFT HFSS對曲面結構貼片天線的模擬.doc

第四章 應用ANSOFT HFSS對曲面結構貼片天線的模擬 28第四章 應用ANSOFT HFSS對曲面結構貼片天線的模擬4.1應用HFSS對錐形襯底圓貼片天線的模擬所求解的結構體圖型如4.1.1圖所示。圖4.1.1 結構體模型結構體的具體尺寸如下所示：a=1.20h=0.60其中介質錐的介電常數(shù)r =2.0 。選定工作頻率為f=15GHz,相對應的真空中的波長為0=20 mm，這樣結構體的幾何尺寸已經(jīng)完全確定，下面介紹求解的全過程。選定求解方式為(Solution Type)Driven modal。1. 建立所求結構體的幾何模型(單位：mm)。 由于此結構體的幾何形狀較簡單，使用工具欄中的Draw命令可直接畫出，這里不再贅述述。畫出的結構體如圖4.1.2所示。2. 充結構體的材料選定結構體中的錐體部分,添加其介電常數(shù)r =2.0的介質材料。 圖4.1.2 結構體的幾何模型 注：如果HFSS中沒有提供與所需參數(shù)完全相同的材料，用戶可以通過新建材料或修改已有材料，使其參數(shù)滿足用戶需求。3. 設定結構體的邊界條件及其激勵源。a. 選定結構體的貼片部分，設定其為理想導體(PerfE)。b. 畫出尺寸為XYZ=70mm70mm40mm的長方體作為輻射邊界,并設定其邊界條件為輻射邊界條件(Radiation Boundary)。c. 由于要求出結構體的RCS，因此設定激勵源為平面入射波(Incident Wave Source)。如圖4.1.3所示。 圖4.1.3 設置激勵源為平面入射波 圖4.1.4 求解過程的設定細節(jié)4. 設定求解細節(jié)，檢驗并求解a. 設定求解過程的工作頻率為f=15GHz.其余細節(jié)設定如圖4.1.4所示。 b. 設定遠區(qū)輻射場的求解(Far Field Radiation Sphere 欄的設定)。c. 使用Validation check命令進行檢驗，無錯誤發(fā)生，下一步運行命令Analyze，對柱錐結構體進行求解。如圖4.1.5和4.1.6所示。圖4.1.5 Validation欄 圖4.1.6程序運行過程中5. 計算結果的察看和處理。 a. 錐形結構體的RCS曲線如圖4.1.7()和圖4.1.8()所示。圖4.1.7 柱錐結構體的雙站RCS() 圖4.1.8 柱錐結構體的雙站RCS() b. 柱錐結構體上表面的貼片電流分布如圖4.1.9和圖4.1.10所示。圖4.1.9 極化的入射波時的貼片表面電流分布 圖4.1.10 極化的入射波時的貼片表面電流分布4.2 HFSS對球形圓貼片天線的RCS的計算球形圓貼片天線的幾何結構如圖4.2.1所示，球體的內(nèi)部為理想導體，外部球層是介電常數(shù)為2.2的電介質，貼片的位置如圖所示以Z軸為中心，其工作頻率為f=7GHz。圖4.2.1 球形貼片天線的幾何外形球形貼片天線的幾何尺寸如下所示：=30 mm=3.7874 mm=0.7874 mm=7.1 mm=13.18介質襯底的介電常數(shù)為r =2.2 。入射波為沿-Z方向的平面波。下面為用HFSS 9.0對此球形圓貼片天線的詳細模擬過程：1. 運行HFSS 9.0 ，新建項目,并將其名稱保存為”球形圓貼片”。下一步，使用命ProjectInsert HFSS Design進入模型建立及其后序求解界面如圖4.2.2所示.下面用命令HFSSSolution Type設定求解方式,如圖4.2.3所示。 圖4.2.2 圖4.2.3彈出Solution Type欄，如圖4.2.4所示。 這里為微波高頻求解選擇求解方式為Driven Model.接下來用命令3D ModelerUnits 設定模型尺寸，彈出Set Model Units對話框，如圖4.2.5所示，選擇單位mm。 圖4.2.4 圖4.2.5下面的部分詳細列出畫三維幾何模型的過程 a. 襯底(sub)及內(nèi)導體(in_metal)的畫法： 使用Draw命令畫出半徑為30mm的球體,彈出如圖4.2.6所示的球體屬性的對話框Properties欄。 圖4.2.6 點擊Attribute項在Name欄中輸入in_metal作為內(nèi)導體,如圖4.2.7所示。 圖4.2.7與畫內(nèi)導體相似，畫出半徑為30.7874的球，彈出如圖4.2.8所示的Properties欄。點選Attribute項，在Name欄中填入sub作為襯底如圖4.2.9所示。圖4.2.8 圖4.2.9 在點選vacuum項彈出Select Definition欄如圖4.2.10所示.通過查找得到相對介電常數(shù)為2.2的介質，選中其中滿足要求的介質即可。選中Rogers RT/duroid 5880(tm)。圖4.2.10但由于襯底只是整個球體的一部分，并且HFSS中不允許有材料在幾何模型中相交，所以需要將襯底中內(nèi)導體部分去掉而又要保留現(xiàn)有的內(nèi)導體，采用下面的方法來實現(xiàn)，首先將內(nèi)導體復制一下產(chǎn)生兩個內(nèi)導體球，具體使用EditSelectSelect by name 命令，彈出Select Object欄如圖4.2.11所示。 圖4.2.11 圖4.2.12選擇in_metal并點擊ok按鈕，再使用命令EditCopy和EditPlaste命令完成內(nèi)導體的復制，HFSS自動間復制的內(nèi)導體命名為in_metal1，與上面相似使用EditSelectSelect by name 命令，同時選擇sub和in_metal1兩個物體在使用命令3D ModelerBooleanSubtract彈出Subtract欄如圖4.2.12所示。 Blank欄中為sub，Tool Parts欄中為in_metal1，其余設定如圖4.2.12所示點擊OK按鈕，完成襯底的模型的建立。 b. 下面開始畫出圓形的貼片，由于HFSS中的Draw工具并不能直接畫出所要求的貼在球表面的圓形貼片，所以只能通過旋轉弧線由其掃過的部分得到所要的圓形貼片，這是由Draw中的Sweep命令來實現(xiàn)的.先選擇在XZ平面內(nèi)三點畫弧線法以原點為圓心以30.7874mm為半徑畫出弧段,其中使用球坐標使其轉過的角度為0=13.18，畫好的弧線如圖4.2.13所示。 選擇所畫出的弧線用DrawSweepAround Axis命令，彈出Sweep Around Axis對話框，旋轉軸選為Z軸，旋轉度數(shù)選為360度，如圖4.2.14所示，點擊ok。 圖4.2.14這樣就畫好了球襯底表面上的圓形貼片，在貼片的屬性欄中將其命名為patch，畫好后的整體模型如圖4.2.15所示。 圖4.2.13 圖4.2.152. 設定邊界條件及激勵源 a. 由于金屬貼片的厚度很薄，且其對計算的結果影響較小，故HFSS中不用設定其厚度。選擇貼片(patch)，用HfssBoundariesAssignPerfE命令，彈出如圖4.2.16所示的Perfect E Boundary欄，將其命名為PerfE_patch,點擊OK。圖4.2.16設定貼片為理想導體。設定好的貼片如圖4.2.17所示。圖4.2.17 圖4.2.18 與此相似，設定內(nèi)導體也為理想導體命名為PerfE_in_metal，設定好后如圖4.2.18所示。 b. 下面來設定輻射邊界條件，由于HFSS要求輻射邊界條件需要離模型體至少要0.250遠的距離，因此以圓心為中心作出邊長為100mm的立方體完全滿足解的要求，作好的立方體命名為boundary,如圖4.2.19所示。 圖4.2.19 圖4.2.21 選擇立方體boundary，使用HfssBoundariesAssignRadiation命令設定其為輻射邊界條件，彈出Radiation Boundary欄，如圖4.2.20所示.點擊OK按鈕。 圖4.2.20 設定好的輻射邊界條件如圖4.2.21所示。c. 對于激勵源的設定,由于這里所要求解的是散射場，故激勵源為平面入射波,方向為沿-Z方向。使用HFSSExcitationAssignIncident Wave命令，彈出Incident Wave Source 欄，如圖4.2.22所示。 圖4.2.22 圖4.2.23 選擇specrial項，點擊”下一步”，出現(xiàn)入射波方向設定欄如圖4.2.23所示。 設定入射波phi為0deg,theta為0deg極化方向為phi方向，點擊”完成”按鈕。完成激勵源入射波的設定，如圖4.2.24所示。 圖4.2.243. 建立求解的細節(jié)，使用命令HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup 彈出Solution Setup欄，solution為7GHz，Maximum Number of Passes為5，Maximum Delta E為0.1，如圖4.2.25所示。 圖4.2.25 圖4.2.26 與輻射邊界條件相對應，該設定遠區(qū)輻射場，使用命令HFSSRadiationInsert far field Setup Infinite sphere，彈出如圖4.2.26所示的Far Field Radiation Sphere Setup欄，theta和phi均為0度到360度,步進為1度。使用用命令HFSSValidation Check對模型進行檢驗，如圖4.2.27所示。 圖4.2.27 檢驗模型沒有錯后，對模型進行模擬求解，使用命令HFSSAnalyze，對模型求解，如圖4.2.28所示。 圖4.2.284. 求解運算后，使用命令HFSSResultsSolution Data，彈出Solution Data 欄，點擊convergence項下的plot，可以看到求解的收斂曲線，如圖4.2.29所示。 圖4.2.29 使用HFSSResultsCreate Report 命令，彈出Cretat Report欄，在Report Type欄中選擇Far Field 項，Dislay Type欄中選擇Rectangular Plot項，如圖4.2.30所示。圖4.2.30 點擊OK，彈出Traces欄，在Y項中，Category選為RCS，Quantity選為RCSphi，F(xiàn)unction選為dBm如圖4.2.31所示。 圖4.2.31 圖4.2.32 在X項中勾選Use Primary Sweep。 在sweeps項中點選Use current Design and Project variable，并且在第一欄中的Name項為Theta，Type項為Primary Sweep，Description項為All Values，第二欄中Name為phi，Type項為Piont(s)，Description項為0deg，如圖4.2.32所示。 點擊Add Traces按鈕，在點擊Done按鈕，生成如圖4.2.33所示的RCS()曲線。 圖4.2.33 選擇貼片，使用命令HFSSFieldsPlot FieldsMag_Jsurf，彈出Create Field Plot欄，如圖4.2.34所示，點擊Done按鈕，產(chǎn)生貼片表面電流的模擬，如圖4.2.35 所示。 圖4.2.34 相似的方法可以得到極化時的RCS()曲線，如圖4.2.36和極化時的表面電流分布，如圖4.2.37所示。 圖4.2.36 圖4.2.35 極化時的表面電流 圖4.2.37 極化時的表面電流4.3 HFSS對柱形體貼片陣列的模擬所求的柱形體襯底貼片陣列為81陣列，幾何模型的具體尺寸如圖4.3.1所示，其中內(nèi)導體為理想導體，襯底為介電常數(shù)為2.0的電介質，厚度為0.10。 圖4.3.1 柱形體貼片陣列的幾何模型圖4.3.1中的幾何體各參數(shù)如下所示：0=67.5b =20/t=0.10h=4.250D=Dz=d=0.250厚為h的襯底的介質的介電常數(shù)為r=2.0。貼片陣列的工作頻率為f=5GHz，則相對應的工作波長為0=60 mm。該柱形體貼片陣列的激勵源為沿-X方向的平面入射波。下面為用HFSS對該結構體模擬的全過程：選定求解方式為(Solution Type)Driven modal。1. 建立柱形體貼片陣列的三維幾何模型. a. 在XOZ平面內(nèi)畫出柱形體貼片的截面圖為矩形,然后應用sweep命令向順時針和逆時針兩方向分別旋轉33.75度可以畫出該柱形體的襯底及內(nèi)導體的幾何模型,具體細節(jié)這里不在贅述。 b. 下面詳細介紹一下貼片陣列的畫法。 按圖4.1中的坐標系在XOZ平面和襯底外表面的交線上距XOY平面0/8處沿+Z方向依次畫出長度為0.250，間距為0.250的線段4段,如圖4.3.2所示。 圖4.3.2 貼片與襯底外表面在XOZ平面的交線 圖4.3.3 Z0部分的貼片 分別將圖4.3.2中的4段線段繞Z軸向順時針和逆時針方向旋轉可得到所要求得的貼片，如圖4.3.3所示。 選中圖4.3.3中所畫的4個貼片,將這4個貼片沿XOY平面作一鏡像的到所要的81貼片陣列。這樣就畫好了柱形體貼片陣列的幾何模型,如圖4.3.4所示。2. 對畫好的幾何體模型填充相應的材料。 選中襯底部分將其中填充介電常數(shù)為r=2.0的介質材料。3. 設定模型的邊界條件及激勵源。 圖4.3.4 柱形體貼片的幾何體模型 圖4.3.5 輻射邊界條件的設定 a. 選中柱形體的內(nèi)導體部分,將其設定為理想導體(PerfE)。 b. 選中貼片陣列中的所有貼片,設定它們?yōu)槔硐雽w(PerfE)。 c. 作XYZ=120 mm120 mm320 mm的長方體,設定其為輻射邊界條件(Radiation Boundary)，如圖4.3.5所示。 d. 該模型的激勵源為沿-X軸方向的平面入射波，設定后如圖4.3.6所示。 圖4.3.6 平面入射波的設定4. 設定求解細節(jié),并運行求解。 a. 設定求解頻率為f=5GHz ,詳細的設定如圖4.3.7所示。 圖4.3.7 工作頻率及其它細節(jié)的設定 圖4.3.8 遠區(qū)場求解的設定b. 設定遠區(qū)輻射場的求解(Far Field Radiation Sphere 欄的設定)，如圖4.3.8所示。c. 使用Validation check命令進行檢驗,無錯誤發(fā)生,接下來運行命令Analyze,對柱形體貼片進行求解。5. 結果曲線及相應參數(shù)的提取。 a. 入射波為沿-X方向的平面入射波時,雙站RCS()曲線，如圖4.3.9所示。 b. 入射波為沿-X方向的平面入射波時,雙站RCS()曲線，如圖4.3.10所示。圖4.3.9雙站RCS() (dB) 圖4.3.10 雙站RCS() (dB)4.4 HFSS對覆蓋88貼片陣列的介質柱的RCS的計算所求解的88貼片陣列的介質柱的幾何模型如圖4.4.1所示，其中內(nèi)圓柱為理想導體，理想導體的外層為介質襯底，貼片均勻分布在襯底柱的側面，具體參數(shù)如圖4.4.1（a）所示，其中：f=5GHz0=60mm0=45b =20/=38.2165mmt=0.10=6mmh=4.250=255mmD=Dz=d=0.250=15mm 圖4.3.1 將(a)圖繞Z軸依次旋轉45度，90度，135度，180度，225度，270度，315度，并將旋轉后得到的幾何體組合起來就得到圖4.4.1中(b)所示的柱形體.其中襯底基片的介電常數(shù)為2.0。用HFSS 9.0對柱形貼片陣列的模擬詳細步驟如下：1. 用HFSS的Draw工具對該柱形貼片陣列三維幾何模型的建立。由于該天線為對稱結構，故可以先畫出圖4.4.1中(a)，再進行旋轉，組合而得到所要的幾何模型(b)。運行HFSS 9.0，新建工程為Project1，將其保存名稱為”full cylinder patch”的項目。 使用命令ProjectInsert HFSS Design進入模型建立及其后序求解界面，接下來使用HFSSSolution Type設定求解方式， 彈出Solution Type欄，如圖4.4.2所示。這里為微波高頻求解選擇求解方式為Driven Model。 圖4.4.2接下來用命令3D ModelerUnits 設定模型尺寸，彈出Set Model Units對話框，如圖4.4.3所示，選擇單位mm。 圖4.4.3下面的部分詳細列出畫三維幾何模型的過程：a. 畫出襯底(sub)及內(nèi)導體(in_metal) 在XOZ平面內(nèi)，以原點為一個頂點,畫出XZ=38.2165mm127.5mm的矩形，彈出如圖4.4.4所示的Properties欄。圖4.4.4 圖4.4.5 點擊Attribute項，在Name欄中輸入Rec1作為其名稱如圖4.4.5所示。 由于所畫的幾何體尺寸較大，會超過屏幕范圍可用命令CTRL+D使所畫的幾何模型大小在屏幕之內(nèi).畫好的矩形如圖4.4.6所示。 圖4.4.6 圖4.4.7 選擇矩形Rec1，使用DrawSweepAround Axis命令，彈出Sweep Around Axis欄，點選Z軸，旋轉角度為22.5度，如圖4.4.7所示。 點擊OK，得到如圖4.4.8所示的柱形體的一部分。 圖4.4.8 圖4.4.9 選擇所作出的柱形體部分，使用命令EditCopy和命令EditPlaste,產(chǎn)生同樣的柱形體部分，名稱為Rec2如圖4.4.9所示。 打開名稱為Rec2的柱形體部分的Properties欄，將X size修改為32.2165mm，作為內(nèi)導體，如圖4.4.10所示。圖4.4.10在Attribute欄中將Rec2改為in_metal作為內(nèi)導體，如圖4.4.11所示。. 圖4.4.11使用命令EditCopy和命令EditPlaste將in_metal復制一份，其名稱為in_metal1，使用EditSelectSelect by name 命令，彈出Select Object欄如圖4.4.12所示的Select Object欄.點選Rec1和in_metal1，點擊OK。 圖4.4.12 圖4.4.13使用命令3D ModelerBooleanSubtract，彈出Subtract欄，如圖4.4.13所示。其中Blank欄中為Rec1，Tool Parts欄中為in_metal1，點擊OK按鈕。打開柱形體Rec1的Properties欄，在Name欄中輸入sub作為襯底的名稱，點選vacuum項，彈出如圖4.4.14所示的Select Definition欄。 圖4.4.14由于Select Definition欄中沒有相對介電常數(shù)為2.0的介質因此需要用戶對已有的材料修改或完全新建材料來滿足自己的要求。在這里，通過新建材料使其滿足求解的要求。點擊Select Definition欄中的Add Material按鈕，彈出View/Edit Material 欄，在Material欄中輸入substrate 代表介質名稱,Relative Permittivity項中修改為2.0，其余參數(shù)設定如圖4.4.15所示。 圖4.4.15 圖4.4.16這樣,就完成了襯底(sub)和內(nèi)導體(in_metal)的幾何模型的建立。 b. 下面為貼片的詳細畫法 在過點(38.2165,0,0)且平行Z軸的直線上,以點(38.2165,0,7.5)為起點，沿Z軸正方向依次作出長度為15mm的4段線段，如圖4.4.16所示。 在分別選擇上述的4段線段，使用命令DrawSweepAround Axis，彈出Sweep Around Axis欄，選擇軸為Z軸，角度為11.25度，如圖4.4.17所示。 圖4.4.17 圖4.4.18 這樣完成了此柱形體的貼片的建立。如圖4.4.18所示。 使用CTRL+A命令選擇所有的物體，在XOZ平面內(nèi)，再使用EditDuplicateMirror，將建立與圖4.4.18對稱的柱形體部分，將兩部分組合將得到圖4.4.1中(a)所示的柱形體，如圖4.4.19所示。 圖4.4.19 圖4.4.20 選擇兩部分的內(nèi)導體(in_metal和in_metal1)，使用3D ModelerBooleanUnite命令將兩部分結合為一部分，對襯底和貼片采用同樣的方法，最后的到圖4.4.20。 使用CTRL+A命令，選擇所有的物體，使用命令EditDuplicateAround Axis，彈出Around Axis欄，選擇X軸，旋轉角度為180度，如圖4.4.21所示,點擊OK，如圖4.4.22所示。 圖4.4.21 圖4.4.22 與上一步相似，選擇所有物體，使用EditDuplicateAround Axis命令，使其繞Z軸旋轉，旋轉的角度依次為45度,90度,135度,180度,225度,270度,315度，得到如圖4.4.23所示的幾何體。 圖4.4.23 圖4.4.24選擇所有的襯底部分，使用命令3D ModelerBooleanUnite將所有的襯底結合為一體。同樣選擇所有的內(nèi)導體部分，將所有的內(nèi)導體結合為一體。這樣畫好的幾何體如圖4.4.24。2. 設定邊界條件及激勵源。a. 由于金屬貼片的厚度很薄，且其對計算的結果影響較小，故HFSS中不用設定其厚度。選擇所有的貼片(patch)，用HfssBoundariesAssignPerfE命令，彈出如圖4.4.25所示的Perfect E Boundary欄，將其命名為PerfE_patch，點擊OK。 圖4.4.25 設定貼片為理想導體，設定好的貼片如圖4.4.26所示。 圖4.4.26 圖4.4.27 與此相似，設定內(nèi)導體也為理想導體命名為PerfE_in_metal，設定好后如圖4.4.27所示。b. 下面來設定輻射邊界條件，由于HFSS要求輻射邊界條件需要離模型體至少要0.250遠的距離，因此以圓心為中心作出XYZ=110mm110mm300mm的長方體完全滿足解的要求，作好的長方體命名為boundary，如圖4.4.28所示。 圖4.4.28 圖4.4.29 選擇立方體boundary，使用HfssBoundariesAssignRadiation命令設定其為輻射邊界條件，彈出Radiation Boundary欄，如圖4.4.29所示。點擊OK按鈕。 設定好的輻射邊界條件如圖4.4.30所示。 圖4.4.30c. 對于激勵源的設定,由于這里所要求解的是散射場,故激勵源為平面入射波，方向為沿-X方向.使用HFSSExcitationAssignIncident Wave命令，彈出Incident Wave Source 欄，如圖4.4.31所示。 圖4.4.31 圖4.4.32 選擇specrial項，點擊”下一步”，出現(xiàn)入射波方向設定欄如圖4.4.32所示。 設定入射波phi為0deg，theta為90deg極化方向為theta方向，點擊”完成”按鈕。完成激勵源入射波的設定，如圖4.4.33所示。 圖4.4.33 圖4.4.343. 建立求解的細節(jié)，使用命令HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup 彈出Solution Setup欄，solu