采用電磁仿真軟件HFSS數(shù)值仿真同軸連接器及其電磁場(chǎng)性能

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：采用電磁仿真軟件HFSS數(shù)值仿真同軸連接器及其電磁場(chǎng)性能分析 學(xué) 院： 電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 0212XX 學(xué) 號(hào)： 0212XXXX 姓 名： XXX 電子郵件： 日 期： 2016年01月 成 績(jī)： 指導(dǎo)教師： 李 X 裝訂線 西 安 電 子 科 技 大 學(xué)電 子 工 程 學(xué) 院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 職稱 學(xué)生學(xué)號(hào) 0212 專業(yè) 電子信息工程 題目 采用電磁仿真軟件HFSS數(shù)值仿真同軸連接器及其電磁場(chǎng)性能分析 任務(wù)與要求 根據(jù)電磁場(chǎng)與電磁波和微波技術(shù)基礎(chǔ)課程的理論學(xué)習(xí)，通過學(xué)習(xí)電磁仿真軟件Ansys HFSS，掌握其

2、基本原理和使用方法，并采用HFSS數(shù)值仿真同軸連接器，分析其輸入阻抗特性、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)特性、同軸線內(nèi)部場(chǎng)分布和電流分布等傳輸線參數(shù)，以鞏固所學(xué)習(xí)的電磁場(chǎng)傳輸問題。要求：（1）學(xué)習(xí)Ansys HFSS全波電磁仿真軟件；（2）掌握HFSS的使用方法，并能準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算；（3）全波仿真同軸連接器，給出全波仿真同軸連接器的網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)隨頻率的變化特性，同軸連接器中的電磁場(chǎng)分布圖以及各端口的場(chǎng)特性。開始日期 2016年 01月 06 日 完成日期 2016年 01月20 日 課程設(shè)計(jì)所在單位 電子工程學(xué)院 本表格由電子工程學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息中心 編輯錄入 . 采用HFSS數(shù)值仿真同軸連接器及其電磁場(chǎng)性能分

3、析XXX（西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071）摘要：本文首先簡(jiǎn)要介紹了同軸線及同軸連接器的概念，并利用HFSS電磁仿真軟件對(duì)同軸彎頭連接器進(jìn)行了仿真，給出了同軸連接器的網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)隨頻率的變化特性，同軸連接器中的電磁場(chǎng)分布圖以及各端口的電磁場(chǎng)特性。通過HFSS仿真軟件將抽象的電磁場(chǎng)概念具體化，有助于對(duì)微波課程的進(jìn)一步理解。關(guān)鍵詞：同軸連接器；HFSS軟件；網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)；電磁場(chǎng)分布一、 同軸連接器的基本理論 1.1 同軸線的基本概念同軸線(coaxial line)是由同軸的內(nèi)、外導(dǎo)體構(gòu)成的雙導(dǎo)體傳輸線，也稱同軸波導(dǎo)，廣泛應(yīng)用于寬頻帶饋線、寬帶元件的設(shè)計(jì)。同軸線以TEM模為

4、主要工作方式，但當(dāng)同軸線的橫向尺寸與工作波長(zhǎng)可比擬時(shí)，同軸線中將出現(xiàn)TE和TM模，即同軸線的高次模。同軸線中TEM波的場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中實(shí)線表示電場(chǎng)，虛線表示磁場(chǎng)，傳輸方向上沒有電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量。圖1 同軸線中TEM波的場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖同軸線的尺寸選擇原則為：保證在工作頻段內(nèi)只傳輸TEM波；使同軸線功率容量最大；損耗盡可能小。功率容量最大時(shí)，若填充的是空氣介質(zhì)，特性阻抗為30；損耗最小時(shí)，對(duì)應(yīng)特性阻抗為76.7.傳輸功率容量最大和衰減最小不能同時(shí)滿足，為了兩者兼顧一般采取折衷尺寸，則對(duì)應(yīng)同軸線的特性阻抗為50。同軸線主要分為硬同軸線與軟同軸線，硬同軸線內(nèi)外導(dǎo)體之間的介質(zhì)為空氣，內(nèi)導(dǎo)體用高頻介質(zhì)墊圈等

5、支撐；軟同軸線又稱為同軸電纜，電纜的內(nèi)外導(dǎo)體之間填充高頻介質(zhì)，內(nèi)導(dǎo)體由單根或多根導(dǎo)體組成，外導(dǎo)體由銅線編織而成，外層再包一層軟塑料等介質(zhì)。1.2 同軸連接器的概念及分類將同軸線連接成系統(tǒng)的接頭稱為同軸連接器。每一種同軸接頭又分為公頭（插頭）和母頭(插座)，它們相互配合將同軸元件連接起來。對(duì)于同軸連接器的要求包括低SWR、高頻下沒有高階模工作、在連接-拆開反復(fù)操作之后的高重復(fù)性以及機(jī)械強(qiáng)度。同軸接頭類型眾多，不同類型接頭大致工作頻率如圖2所示。以下對(duì)圖2中幾種同軸接頭作簡(jiǎn)要介紹：N型：這種接頭發(fā)明于1942年并以其發(fā)明者、貝爾實(shí)驗(yàn)室的P.Neil命名。推薦的頻率上限范圍為11-18GHz，具體取

6、決于同軸線的尺寸大小。這種結(jié)實(shí)但較大的接頭常見于較老的設(shè)備中。BNC：是一種卡口式連接的射頻同軸連接器，其特性阻抗分為50和75兩種。它具有連接（分離）迅速、接觸可靠等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)行業(yè)、無線網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療設(shè)備和電子儀器領(lǐng)域。TNC：這是BNC接頭帶螺紋連接的一類。SMA：對(duì)較小、較輕的街頭的需求，導(dǎo)致了20世紀(jì)60年代這種接頭的發(fā)展。它可以應(yīng)用頻率高至18-25GHz的范圍，是當(dāng)今應(yīng)用范圍最廣的微波連接器。圖2 同軸接口工作頻率表由于同軸線中有軟同軸線，故不再需要如波導(dǎo)一樣制作專門的彎波導(dǎo)、扭波導(dǎo)等，軟同軸線即可勝任這些功能。在少數(shù)情況下也有使用同軸彎頭的情況，如圖3所示為一同軸彎頭連接

7、器。后文將以同軸彎頭連接器為例，利用HFSS仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真并分析其電磁特性。圖3 同軸彎頭連接器二、 Ansys HFSS電磁仿真軟件簡(jiǎn)介 HFSS-High Frequency Structure Simulator是Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件,目前已被ANSYS公司收購;是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了簡(jiǎn)潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算天線參量，如增益、方向性

8、、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、Ludwig第三定義場(chǎng)分量和軸比。使用HFSS，可以計(jì)算： 基本電磁場(chǎng)數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問題； 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)； S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)； 結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，HFSS以其無以倫比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩(wěn)定成

9、熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高效地設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu)，包括：射頻和微波部件、天線和天線陣及天線罩，高速互連結(jié)構(gòu)、電真空器件，研究目標(biāo)特性和系統(tǒng)、部件的電磁兼容、電磁干擾特性，從而降低設(shè)計(jì)成本，減少設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。三、 采用HFSS仿真微波器件同軸連接器的建模3.1 創(chuàng)建三維立體模型1.打開HFSS軟件后，在工程菜單中插入HFSS設(shè)計(jì)（HFSS Design1）；2.設(shè)置解決方案類型（Solution Type）為Driven Modal；3.將默認(rèn)材料（Default Mate

10、rial）設(shè)置為“pec”，如圖4所示利用Draw Cylinder、Draw Arc、Sweep等工具創(chuàng)建四個(gè)幾何體，并使用Unite工具將它們連接成同軸連接器的內(nèi)導(dǎo)體（Conductor）；圖4 同軸連接器的內(nèi)導(dǎo)體4. 將默認(rèn)材料（Default Material）設(shè)置為“vacuum”，如圖5所示分別創(chuàng)建同軸連接器母頭(Female)、公頭（Male）及彎頭(Bend)；并使用Unite工具將它們連接為一體；圖5 同軸連接器的真空腔5.添加介電常數(shù)值為3的新材料“My_Ring”，創(chuàng)建該材料的環(huán)（Ring），并利用Subtract工具將與公頭重疊部分減去，如圖6所示；圖6 同軸連接器的環(huán)

11、6. 添加介電常數(shù)值為2.1的新材料聚四氟乙烯“My_Teflon”，如圖7所示在公頭和母頭分別創(chuàng)建聚四氟乙烯環(huán)，并利用Subtract工具將與公頭、母頭重疊部分減去，完成同軸連接器三維立體模型的創(chuàng)建。圖7 同軸連接器3.2 創(chuàng)建激勵(lì)端口選擇公頭、母頭的橫截面(Select Faces),創(chuàng)建激勵(lì)(Assign Excitation)中選擇Wave Port，積分路徑為由外導(dǎo)體邊緣到內(nèi)導(dǎo)體邊緣，如圖8所示；最后設(shè)置端口阻抗為50.圖8 同軸連接器激勵(lì)端口四、 同軸連接器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與特性仿真分析4.1分析設(shè)置1.將求解頻率(Solution Frequency)設(shè)置為8.1GHz；2.設(shè)置掃頻（

12、Sweep）范圍為0.1-8.1GHz，頻率間隔為0.1GHz；3.點(diǎn)擊“Validate”、“Analyze all”進(jìn)行分析。4.2 網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù) 圖9 同軸連接器S參數(shù)幅度曲線圖9給出了同軸連接器的網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)隨頻率的變化特性，頻率變化范圍為0.1-8.1GHz。圖中直線代表S12、S21參數(shù)，其數(shù)值不隨頻率變化而變化，且其值恒為1；圖中曲線代表S11、S22參數(shù)，其數(shù)值隨頻率變化而變化。4.3 電磁場(chǎng)分布圖圖10 同軸連接器剖面的電場(chǎng)分布圖圖11 同軸連接器剖面的磁場(chǎng)分布圖4.4 各端口電磁場(chǎng)特性 圖12 同軸連接器端口1的電磁場(chǎng)分布 圖13 同軸連接器端口2的電磁場(chǎng)分布五、 結(jié)論與體會(huì)通過上文HFSS仿真結(jié)果可以看出，該同軸彎頭連接器性能較好。在仿真設(shè)置的0.1-8.1GHz頻率范圍內(nèi)正反向傳輸系數(shù)皆為0dB，端口1、2的反射系數(shù)也均小于-25dB；電磁場(chǎng)分布圖形象地描繪了同軸連接器內(nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)弱的分布情況及能量傳輸形式；由端口電磁場(chǎng)分布圖可以看出，在端口橫截面上電場(chǎng)沿徑向方向分布，而磁場(chǎng)沿圓周方向分布，與第一部分中同軸線概念所介紹內(nèi)容一致，說明同軸線中僅傳輸TEM波。通過此次課程設(shè)計(jì)，我掌握了HFSS仿真軟件的基本使用方法，能較準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算；通過對(duì)同軸連接器的仿真，得出的分析結(jié)果將抽象的電