沈陽理工課程設(shè)計(jì)-磁偶極子天線的近區(qū)場(chǎng)計(jì)算

1、目錄1.課程設(shè)計(jì)的目的與作用11.1設(shè)計(jì)目的：11.2設(shè)計(jì)作用：12 設(shè)計(jì)任務(wù)及所用Maxwell軟件環(huán)境介紹12.1設(shè)計(jì)任務(wù)：12.2 Maxwell軟件環(huán)境：23電磁模型的建立23.1建模（Model）23.1.1創(chuàng)建線圈33.1.2 創(chuàng)建球形計(jì)算區(qū)域33.1.3創(chuàng)建激勵(lì)電流加載面43.1.4設(shè)置激勵(lì)53.1.5設(shè)置渦流效應(yīng)和位移電流存在區(qū)域53.1.6設(shè)置輻射邊界53.1.7創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域的外表面53.1.8 仿真運(yùn)行65電磁模型計(jì)算及仿真結(jié)果后處理分析65.1計(jì)算輻射電阻65.2查看輻射邊界上的Poynting矢量圖86 設(shè)計(jì)總結(jié)和體會(huì)97 參考文獻(xiàn)：91.課程設(shè)計(jì)的目的與作用1.1設(shè)計(jì)

2、目的：電磁場(chǎng)與電磁波課程理論抽象、數(shù)學(xué)計(jì)算繁雜，將Maxwell軟件引入教學(xué)中，通過對(duì)典型電磁產(chǎn)品的仿真設(shè)計(jì)，并模擬電磁場(chǎng)的特性，將理論與實(shí)踐有效結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波的理解和應(yīng)用，提高教學(xué)質(zhì)量。1.2設(shè)計(jì)作用：熟練使用Ansoft Maxwell 仿真軟件，對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)進(jìn)行分析，了解所做題目的原理。利用Ansoft Maxwell軟件仿真簡(jiǎn)單的電場(chǎng)以及磁場(chǎng)分布，畫出電場(chǎng)矢量E線圖、磁感應(yīng)強(qiáng)度B線圖，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析、總結(jié)。將所做步驟詳細(xì)寫出，并配有相應(yīng)圖片說明。2 設(shè)計(jì)任務(wù)及所用Maxwell軟件環(huán)境介紹2.1設(shè)計(jì)任務(wù)：磁偶極子天線的近區(qū)場(chǎng)計(jì)算：計(jì)算如下圖所示所受磁偶極子線圈的近

3、區(qū)場(chǎng)在邊界上的坡印廷矢量及其輻射電阻。要求理解并掌握輻射邊界的使用。其中電流環(huán)的內(nèi)徑r=9.5mm, 外經(jīng)R=10mm，線圈材料為銅（copper）。環(huán)內(nèi)通的電流為 I=0.5A 圖2.1 磁偶極子天線的近區(qū)場(chǎng)模型圖2.2 Maxwell軟件環(huán)境：Ansoft Maxwell軟件特點(diǎn)：Ansoft Maxwell 是低頻電磁場(chǎng)有限元仿真軟件，在工程電磁領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼?，使用領(lǐng)域遍及電器、機(jī)械、石油化工、汽車、冶金、水利水電、航空航天、船舶、電子、核工業(yè)、兵器等眾多行業(yè)，為各領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程應(yīng)用做出了巨大的

4、貢獻(xiàn)。3電磁模型的建立 3.1建模（Model）Project > Insert Maxwell 3D Design創(chuàng)建3D編輯界面。 圖 3.1（a) maxwell啟動(dòng)界面圖 圖3.1（b)設(shè)置幾何尺寸單位點(diǎn)擊File>Save as> Dipole antenna （工程命名為“Dipole antenna”）；選擇求解器類型：Maxwell > Solution Type> Eddy current；設(shè)置幾何尺寸單位：Modeler > Units > Select Units: m (meters)。 3.1.1創(chuàng)建線圈 點(diǎn)擊Draw>

5、Torus；中心點(diǎn)：（0,0,0）輸入線圈的內(nèi)徑：（0.0095,0,0）輸入線圈的外徑：（0.001,0,0）將材料設(shè)置為Copper重命名為：coil創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域Region 圖3.1.1(a)設(shè)置線圈的材料并重命名圖圖3.1.1(b) 繪制環(huán)形線圈3.1.2 創(chuàng)建球形計(jì)算區(qū)域點(diǎn)擊Draw>Sphere；中心點(diǎn)：（0,0,0），輸入球形計(jì)算區(qū)域的半徑：（0.06,0,0）；將材料設(shè)為vacuum。圖3.1.2 繪制球形場(chǎng)3.1.3創(chuàng)建激勵(lì)電流加載面在文件叉狀樹中點(diǎn)擊coil點(diǎn)擊Modeler > Surface > Section在Section Plane面板中選擇YZ

6、平面點(diǎn)擊Modeler > Boolean > Separate Bodies（分離兩Section面）按鍵盤上Del 刪除1個(gè)截面，將剩下的1個(gè)截面重命名為“current” 圖3.1.3屬性設(shè)置欄3.2設(shè)置激勵(lì)選中線圈截面current點(diǎn)擊Maxwell 3D> Excitations > Assign > Current設(shè)置Value為0.5AType為soild3.2.1設(shè)置渦流效應(yīng)和位移電流存在區(qū)域點(diǎn)擊Maxwell > Excitations > Set Eddy Effects； 設(shè)置如下圖 圖3.2.1設(shè)置渦流效應(yīng)和位移電流存在區(qū)域3.

7、2.2設(shè)置輻射邊界將region的半徑表示為的函數(shù)。選中Region下的Create sphere，將半徑radius改為：lambda/4+0.01 (m)，添加變量lambda的定義為：c0/frequ；添加變量frequ的定義為：1.5GHz。按F鍵，改為面選擇，選中Region的外表面，點(diǎn)擊Maxwell > Boundaries > Assign > Radiation，設(shè)置表面剖分的近似原則；選中外表面Maxwell > Mesh Operations > Assign > Surface Approximation設(shè)置Maximum surfa

8、ce deviation：ignore和Set maximum normal deviation (angle)：15 deg和Set aspect ratio： 圖3.2.2 設(shè)置參數(shù)圖 3.2.3Maximum surface deviation 表面偏差距離：模型的剖分三角平面與真實(shí)表面之間的距離若模型真實(shí)表面是平面，則表面偏差距離為0。3.2.4Maximum normal deviation模型的剖分三角平面與真實(shí)表面的法向分量之間的夾角。3.2.5Aspect ratio剖分三角單元的Aspect ratio是指三角單元的外接圓半徑與三角形內(nèi)徑的比值。若該參數(shù)為1，表示三角單元為等

9、邊三角形。對(duì)于平面剖分，Aspect ratio的設(shè)置下限為4，對(duì)于曲面剖分，Aspect ratio的設(shè)置下限為1.2。 3.2.6創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域的外表面選中Region區(qū)域的外表面Modeler > Surface > Create Object From Face 將該面重命名為Outside 圖 3.2.6（a) 空間外表面設(shè)置計(jì)算參數(shù)（Assign Executive Parameter）Maxwell 3D > Parameters > Assign > Matrix 圖 3.2.6（b) 設(shè)置自適應(yīng)計(jì)算參數(shù)（Create Analysis Setup）

10、Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup最大迭代次數(shù)：Maximum number of passes：5誤差要求：Percent Error: 10%頻率設(shè)置：Solver > Adaptive Frequency: 1.5GHz 圖3.2.75電磁模型計(jì)算及仿真結(jié)果后處理分析5.1計(jì)算輻射電阻創(chuàng)建平均Poynting矢量的計(jì)算表達(dá)式Maxwell3D>Fields>Calculator 圖5.1 場(chǎng)參數(shù)設(shè)置界面Quantity > EQuantity > HComplex > Conj（

11、取H矢量的共軛）Cross（叉乘操作）Complex > Real（取實(shí)部）Number > 0.5點(diǎn)擊AddNamed expressions > Poynting ，最后點(diǎn)擊Done。輻射電阻的計(jì)算公式：其中是邊界上的輻射功率，其表達(dá)式為：Maxwell > Fields > Calculator 在Named Expressions欄中選中PoyntingCopy to stack（將Poynting的計(jì)算設(shè)置copy到Calculator堆棧中） Geometry > Surface > OutsideNormal（保留Poynting的法向分

12、量）積分點(diǎn)擊Eval（查看結(jié)果）查看阻抗矩陣Maxwell > Results > Solution Data 圖5.1.1 查看場(chǎng)效應(yīng)阻抗矩陣 圖5.1.2計(jì)算的輻射功率圖 圖5.1.3計(jì)算的輻射電阻從圖可知輻射功率：W由題可知環(huán)路電流：由輻射電阻的計(jì)算公式為： 即：輻射電阻 5.2查看輻射邊界上的Poynting矢量圖選中Region的外表面Maxwell > Fields > Fields > Named Expression 選中Poynting圖9 輻射邊界上的Poynting矢量圖6 設(shè)計(jì)總結(jié)和體會(huì):通過這次課程設(shè)計(jì)，使我掌握了用MAXWELL之類的電

13、磁仿真軟件來進(jìn)行電磁學(xué)具體問題進(jìn)行模擬，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的計(jì)算，生動(dòng)形象，加強(qiáng)了對(duì)電磁學(xué)的理解和認(rèn)識(shí)。剛開始接觸Ansoft時(shí)，感覺很困難，但是經(jīng)過一段時(shí)間的學(xué)習(xí)以后，感覺這個(gè)軟件用起來還是挺方便的。這也使我對(duì)于有限元法和Ansoft有了一定的了解，對(duì)于利用仿真的方法形象的模擬靜電場(chǎng)有了一定的體會(huì)。 在進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真的時(shí)候，我也遇到了許多的問題。比如說，不知道還要設(shè)定氣球邊界，結(jié)果使左后生成的圖只是集中在畫圖的小區(qū)域中，而氣球邊界是用來模擬無限大的求解區(qū)，可以有效的隔絕模型外的電荷源或電壓源。再比如說，一些參數(shù)的設(shè)定上，在最后生成矢量圖的時(shí)候，由于size與spacing的設(shè)定不好，出現(xiàn)了箭頭過疏與過密的問題；其他參數(shù)的設(shè)定，一般情況下，我都是