電磁場HFSS實驗報告

1、實驗一 T形波導(dǎo)的內(nèi)場分析實驗?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)計方法、優(yōu)化設(shè)計方法和工作原理。實驗儀器1、裝有windows系統(tǒng)的PC 臺2、HFSS15.0或更高版本軟件3、截圖軟件實驗原理本實驗所要分析的器件是下圖所示的一個帶有隔片的T形波導(dǎo)。其中，波導(dǎo)的端口 1是信號輸入端口，端口 2和端口 3是信號輸出端 口。正對著端口 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 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的信號能量大小，以及反射回端口 1的信號能量 大小。T形波導(dǎo)實驗步驟1、新建工程設(shè)置

2、：運行HFSS并新建工程：打開 HFSS軟件后，自動創(chuàng)建一個新 工程：Projectl,由主菜單選FileSave 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，點右鍵，選擇Rename項，將設(shè)計命名為TeeMode。選擇求解類型為模式驅(qū)動（Driven Model）:由主菜單選 HFSSSolution Type，在彈出對話窗選擇 Driven Model 項。設(shè)置長度單位為in :由主菜單選 3D ModelerUnits，在Set Model Un its對話框中選中in項。2、

3、創(chuàng)建T形波導(dǎo)模型：創(chuàng)建長方形模型：在 Draw菜單中，點擊 Box 選項，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：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，彈出 Wave Port 界面， 輸入名稱 WavePort1；點擊積分線（Integration Line）下的 New line ， 則提示繪制端口，在繪圖區(qū)該面的下

4、邊緣中部即（2,0,0）處點左鍵，確定端口起始點，再選上邊緣中部即（2,0,0.4）處，作為端口終點。復(fù)制長方體：展開繪圖歷史樹的ModelVacuumTee節(jié)點，右鍵點擊Tee項，選擇 EditDuplicateAround Axis，在彈出對話窗的 Axis 項選擇Z,在 An gel項輸入90deg,在 Total Number項輸入2,點 OK，則復(fù)制、添加一個長方體，默認(rèn)名為TEE_1。重復(fù)以上步驟，在An gel項輸入-90,則添加第3個長方體，默認(rèn)名Tee_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個長方體， 按下Ctrl鍵的同時選中第2、3個長方體，由主菜單選3D M

5、odelerBoolea nU nite，則將三個長方體組合在一起，形成了一個 T 型接頭。創(chuàng)建隔片：繪制長方體：Draw/box命令任意創(chuàng)建一個長方體， 確定位置參數(shù)：繪圖工程樹雙擊CreateBox1在屬性對話窗口的Comma nd 頁，在 Position 項輸入-0.45 in , offset-0.05in , 0in，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，按下 Ctrl鍵的同時再選中 Septum 項。由主菜單選 3D ModelerBooleanSubtract，在彈出對話窗 口中，確定 Tee在 Blank Parts 列，Septum在Tool P

6、arts列（即將間隔從型接頭中去掉），點OK完 成。3、分析求解設(shè)置：在工程樹中，找到TeeModelAnalysis節(jié)點，點右鍵，選擇Add Solution Setup，彈出對話窗。在 Ge neral標(biāo)簽頁的Solution項輸入 10，默認(rèn)單位為 GHz，在 Adaptive Solutions 的 Maximum Number of Passes項設(shè)為3，其它不變，點擊確定。添加掃頻設(shè)置：在工程樹中的Setupl項上點右鍵，選擇 AddFrenquency Sweep,在彈出對話窗中選擇 General項，其它具體設(shè)置 默認(rèn)不變；在Type欄選擇Linear Step,定義頻率范圍為

7、：8 10GHz, 階長0.05GHz,點OK完成。設(shè)計檢查：主菜單選 HFSSValidation Check,則彈出確認(rèn)檢查窗 口，對設(shè)計進(jìn)行確認(rèn)。全部完成且沒有錯誤時，點Close結(jié)束。4、運行仿真分析：由主菜單選HFSSAnalyze all，對設(shè)計的模型進(jìn)行三維場分析求 解。求解全部完成后，在信息管理區(qū)會出現(xiàn)確定信息。5、查看仿真分析計算結(jié)果：創(chuàng)建一個S參數(shù)的矩形曲線圖；創(chuàng)建一個電場視圖；創(chuàng)建動態(tài)演 示場覆蓋圖 內(nèi)場分析結(jié)果1、圖形化顯示S參數(shù)計算結(jié)果0.75TeeModalXY Plot 10.630.500.380.250.13Freq GHzY圖形化顯示S參數(shù)幅度隨頻率變化的曲

8、線2、查看表面電場分布M3.3.2.3.1.1.1.A.九a.e.4-2.3a3a3a3an$n8gi:.Lu表面場分布圖E Fifllrirt-inrn3JtH；r9e-fi032 (Ini3、動態(tài)演示場分布圖J B519C-4B32 33*0.50-? e收ml J90總出酌E.iBBirteig1-90305*0031 7 mQiSD 11.EM4HVML羽39已T陽1B 714I4B2B S3 = qe-i3B24 -35 719c-302 基丄口V噹噸印ft實驗總結(jié):實驗二T形波導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計實驗?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)計方法

9、、優(yōu)化設(shè)計方法和工作原理。 實驗儀器1、裝有windows系統(tǒng)的PC 臺2、HFSS15.0或更高版本軟件3、截圖軟件實驗原理利用參數(shù)掃描分析功能。分析在工作頻率為 10GHz時，T形波導(dǎo) 3個端口的信號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)計功能，找出隔片的準(zhǔn)確位置，使得在10GHz工作頻 點，T形波導(dǎo)商品3的輸出功率是端口 2輸出功率的兩倍。實驗步驟1、新建一個優(yōu)化設(shè)計工程；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

10、。2、參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析：在工程樹中選Optimetrics項上點右鍵，選擇AddParametrie項添 加參數(shù)掃描分析項。定義輸出變量：添加變量掃描定義：在對話窗的SweepDefinitions標(biāo)簽頁，點擊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，變量范圍設(shè)為0 1,階長為0.1，單位均 為in，點擊Add，則在窗口右側(cè)加入調(diào)節(jié)變量及其設(shè)置。點0K。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），點擊左下角 Setup Calculation,

11、則彈出 Add/Edit Calculations 對話窗。點擊左下角 Output Variables,彈出 Output Variables對話框，定義 Power11、Power21、 Power31 變量.運行參數(shù)掃描分析：在工程樹中的 ParametricSetup1項上點擊右 鍵，選擇Analyze,對參數(shù)設(shè)置中變量掃描定義的每一個變量進(jìn)行 3D 場分析求解。全部完成后，在信息管理區(qū)會出現(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 點右鍵，選擇 Create Modal data Report項選擇 Rectangular Plot，點 OK完

12、成，則彈出對話窗默認(rèn)選擇 Trace選項。3、優(yōu)化設(shè)計：添加優(yōu)化變量：由主菜單選HFSSDesign Properties,在彈出對話窗選擇Optimization項，在offset欄勾選Include項，點擊確定完成。 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 2的2倍，目標(biāo)函數(shù)為：Power31-2*Power2仁0。優(yōu)化設(shè)置的對話框下在 Goals標(biāo)簽頁，點擊左下角 Setup Calculation選項，彈出Add/Edit Calculation對話框，點擊左下角Output vadiables,創(chuàng)建新的一個目標(biāo)變量，Name欄中為:Cost,通過 Insert int

13、o Expression選項在 Expression欄中寫入表達(dá)式：Power31-2*Power21。然后點擊Add，最后點擊右 下方Done。返回到Add/Edit Calculation對話框，點擊下方Add Calculation,添加目標(biāo)變量至U Setup Optimization 對話框 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，在starting Value列輸入0.1。 Min中：0, Max中：0.3,offset變化范圍在0到0.3in之間。 運行優(yōu)化分析：在工程樹的Optimi

14、zatio nSetup1項上點右鍵，選擇Analyze,進(jìn)行優(yōu)化分析。此過程需要幾分鐘，可進(jìn)行下面的實驗步 驟。在工程樹的 OptimizationSetup1項上點右鍵，選擇 View Analysis Result,察看優(yōu)化結(jié)果。實驗結(jié)果1、創(chuàng)建功率分配隨變量Offset變化的關(guān)系圖輸出變量隨變量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，即隔片位置向端口 2移動時，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，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)計中，

15、可以設(shè)置變量 Offset優(yōu)化范圍的最大值為0.3英寸。同時，在Ofset=0.1英寸時，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的輸出功率約為端口 2輸出功率的兩倍。 因此，在優(yōu)化設(shè)計時，可以設(shè)置變量Ofset的優(yōu)化初始值為0.1英寸 另外，變量Ofset優(yōu)化范圍的最小值可以取0英寸。2、表面電場隨變量 Ofset變化Offset=0inOffset=0.3inOffset=0.6i nOfset=0.9in優(yōu)化設(shè)計結(jié)果1、優(yōu)化結(jié)果在 offset=0.093in 時，目標(biāo)函數(shù)(Cost function):Power31-2*Power2仁0.00000

16、3達(dá)到預(yù)期優(yōu)化效果。2、優(yōu)化后電場分布實驗總結(jié):實驗三半波偶極子天線仿真實驗報告實驗?zāi)康?、 學(xué)會簡單搭建天線仿真環(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、通過對半波偶極子天線的仿真，學(xué)會對其他類型天線仿真的方法實驗儀器1、裝有windows系統(tǒng)的PC 臺2、HFSS 15.03、截圖軟件實驗原理本次實驗設(shè)計一個中心頻率為 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，天線材質(zhì)使用理想導(dǎo)體，總長度為 0.48 A半徑

17、為入/200天線饋電米用集總端口激勵方式，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：半波偶極子天線就是對稱陣子天線2、對稱振子是中間饋電，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。兩臂之間的間隙很小，理論上可以忽略不計，所以振子的總長度L=21。對稱振子的長度與波長相比擬，本身己可以構(gòu)成實用天線。3、在計算天線的輻射場時，經(jīng)過實踐證實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：L sin A(/ - z) z 0 心)=幾sing十)*冊 、 nItn+ z) z 0式中，

18、Im為天線上波腹點的電流;k為相移常數(shù)、根據(jù)正弦分布的特點，對稱振子的末端為電流的波節(jié)點；電流分布關(guān)于振子的中心店對稱;超過半波長就會出現(xiàn)反相電流。4、在分析計算對稱振子的輻射場時，可以把對稱振子看成是由無數(shù)個電流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 的疊加原理，對稱振子的輻射場是這些電流元輻射場之矢量和。圖2對稱振子輻射場的計算如圖2所示，電流元I(z)所產(chǎn)生的輻射場為sin kt /_f 廠*#11clEft = /tf 7rUsin Oe 火其中 r-/-2cos5、方向函數(shù)/（）=EJ0)60/ / rcoslkl cos/7)-cos(A7)sin實驗步驟1、

19、設(shè)計變量（以表格的形式列出來）HsmeZgliueKnit，Ev乩naxed y ,ITypDscri jti wiBe *d esdyNiddeTi10CIClfTllOOnhOtSL廠1.皿召tkCL *1h.40innDcliiLL廠0.nm0.24nmDzl 1廠lez-glli/.,.S3,駅Oc=L 護(hù)rlabZQQ0 &*n0 C 5 L廠_r4d_r*4iiedi j_r 乜d.,.25. SnrhDci rrral_h*igktdi 王_lcxt.3-lrrwnDe EL gn.廠pm設(shè)置求解類型為Driven Model類型，并設(shè)置長度單位為毫米。提前定義對稱陣子天線的基本

20、參數(shù)并初始化、創(chuàng)建偶極子天線模型，即圓柱形的天線模型。（模型截圖貼在下面）其中偶極子天線的另外一個臂是通過坐標(biāo)軸復(fù)制來實現(xiàn)的。設(shè)置端口激勵（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)建一個平 行于YZ面的矩形面作為激勵端口平面。4、設(shè)置輻射邊界條件（截圖）要在HfSS中計算分析天線的輻射場，則必須設(shè)置輻射邊界條件。 這里創(chuàng)建一個沿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。外加激勵求解設(shè)置分析的半波偶極子天線的中心頻率在3GHz，同時添加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)計檢查和運行仿真計算6、HFSS天線

21、問題的數(shù)據(jù)后處理（截圖，并做相應(yīng)的說明）具體在實驗結(jié)果中闡釋。實驗結(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 一對線自身的反射，是天線設(shè)計需要關(guān)注的參數(shù)之一。圖中所示是在2.5 GHz八3.5 GHz頻段內(nèi)的回波損耗，設(shè)計的偶極子天線中心頻率約為3GHz, S11-10dBd的相對帶寬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，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算阻抗、反射系

22、數(shù)等參量的簡 便圖解方法。采用雙線性變換，將z復(fù)平面上。實部r二常數(shù)和虛部x=常數(shù)兩族正交直線變化為正交圓并與：反射系數(shù)|G|二常數(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。實質(zhì) 上是個等效阻抗。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部和虛部，在中心頻率3G赫茲時，輸入阻抗比較的理想，容易實現(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、場強(qiáng)、相 位和極化。通常討論在遠(yuǎn)場半徑為常數(shù)的大球面上，天線輻射（或接收）的功率或者場強(qiáng)隨位置方向坐標(biāo)的變化規(guī)律，并分別稱為功率方 向圖和場方向圖。天線方向圖是在遠(yuǎn)場區(qū)確定的， 所以又叫遠(yuǎn)場方向 圖。電場方向圖：Radiation Pattern 1由圖可以看到，電場方向以 Z軸為對稱軸，在XOY平面上電場 最強(qiáng)，且沿四周均勻輻射。但沿著 Z軸方向電場強(qiáng)度很弱。磁場方向圖：HFS8C)ign2 1Radiation Pattern 3Qmre fcikr dBiGaieT 口