電磁場(chǎng)HFSS實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)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 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(guò)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HF

2、SS并新建工程:打開(kāi) HFSS軟件后，自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)新工程：Projecti,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(shù)中選擇 HFSSModel1，點(diǎn)右鍵，選擇 Rename項(xiàng)，將設(shè)計(jì)命名為T(mén)eeMode。選擇求解類型為模式驅(qū)動(dòng)（Driven Model）:由主菜單選HFSSSolution Type，在彈出對(duì)話窗選擇 Driven Model 項(xiàng)。設(shè)置長(zhǎng)度單位為in :由主菜單選 3D ModelerUnits，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:

3、創(chuàng)建長(zhǎng)方形模型：在Draw菜單中，點(diǎn)擊 Box 選項(xiàng)，在Comma nd頁(yè)輸入尺寸參數(shù)以及重命名；在 Attribute頁(yè)我們可以為長(zhǎng)方體設(shè)置名稱、材料、顏色、透明度等參數(shù) Transp are 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(zhǎng)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 WavePort1;點(diǎn)擊積分線(Integration Line)下的 New line ，則提示繪制端口，在繪圖區(qū)該面的下邊緣中部即（2,0,0）

4、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(zhǎng)方體：展開(kāi)繪圖歷史樹(shù)的ModelWacuumTee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(zhǎng)方體，默認(rèn)名為 TEE_1。重復(fù)以上步驟,在An gel項(xiàng)輸入-90,則添加第3個(gè)長(zhǎng)方體，默認(rèn)名Tee_2.合并長(zhǎng)方體：鼠標(biāo)右鍵切換到物體選擇狀態(tài)。選中第1個(gè)長(zhǎng)方體, 按下Ctrl鍵的同時(shí)選中第2、3個(gè)長(zhǎng)方體，由主菜單選3DModelerBoolea nU

5、ni te，則將三個(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)方體：Draw/box命令任意創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體,確定位置參數(shù)：繪圖工程樹(shù)雙擊CreateBox1在屬性對(duì)話窗口的Comma nd 頁(yè)，在 P osition 項(xiàng)輸入-0.45 in , offset-0.05in , 0in，調(diào)整長(zhǎng)方體尺寸；由T型接頭中減去間隔：在歷史樹(shù)中選擇Tee項(xiàng)，按下Ctrl鍵的同時(shí)再選中 Septum 項(xiàng)。由主菜單選 3DModelerBooleanSubtract，在彈出對(duì)話窗 口中，確定 Tee在 Blank Parts列，Septum在Tool Parts列（即將間隔從型接頭中去掉），點(diǎn)OK

6、完成。3、分析求解設(shè)置:在工程樹(shù)中，找到TeeModelAnalysis節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)右鍵，選擇AddSolution Set up，彈出對(duì)話窗。在 General標(biāo)簽頁(yè)的Solution項(xiàng)輸入 10，默認(rèn)單位為 GHz，在 Adaptive Solutions 的 Maximum Number ofPasses項(xiàng)設(shè)為3,其它不變，點(diǎn)擊確定。添加掃頻設(shè)置：在工程樹(shù)中的Set up1項(xiàng)上點(diǎn)右鍵，選擇 AddFrenquency Sweep,在彈出對(duì)話窗中選擇 General項(xiàng)，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：810GHz,階長(zhǎng)0.05GHz,點(diǎn)OK完成。設(shè)

7、計(jì)檢查：主菜單選 HFSSWalidation 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(méi)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)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0.75XY Plot 1TeeModal0.63 _Curve Info mag(S(P ort1,P ort1)Setu p1 : Sw eep1 mag(S(P oi11,P oi12)Se

8、tu p1 : Sw eep1 mag(S(P oi11,P oi13)Setu p1 : Sw eep10.50 _0.38 _0.25 _0.138.0 08.258.508.759.00 Freq GHz9.259.509.7510 00圖形化顯示S參數(shù)幅度隨頻率變化的曲線2、查看表面電場(chǎng)分布I k I r lriV_rp-_HD&PA 、9nBpi&zy;r:0E r 1*中wtv.p*嚴(yán)亠3. JBA-b.hEU3-Ufi- H+kcbEUn J C-DMM-l-fUa I 屯tin 皿二._?&魚(yú)*卜*盞總 OLi5h-A*2 i. 2Z+gaI tHd.zn d sdiwa4 g

9、1 QDl-5*-W36 4顯,.41匸 e砧旳“I詢 ZXSCUg2 4酣如說(shuō)D cua.kuci4 Hi!Wf表面場(chǎng)分布圖3、動(dòng)態(tài)演示場(chǎng)分布圖E Fialrir*_pBr_n3.+B?Tc-fl031上冃昌耳亡勺也巳? e5L9-oei? 93i0e*0B3? 01匕妝T朋 i弓伽T船 rid訶旨-0盟I.g0j0t*fl031 TkaL-BD!t 53P JM1 3a33eSB31匕T旳 M孫蠟9日丄B卜羽訓(xùn)亞 :IdCVc-QV n flfifip-apfr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、

10、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(kāi)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)

11、置和仿真分析:在工程樹(shù)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(yè)，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,階長(zhǎng)為0.1，單位均為in，點(diǎn)擊Add，貝卩在窗口右側(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(yè)（注：設(shè)置頁(yè)面可以在工程樹(shù)下 Opimetrics/ParametricSetup1 打開(kāi)），點(diǎn)擊左下角 SetupCalculatio n,則彈出 Add/Ed

12、it Calculatio ns 對(duì)話窗。點(diǎn)擊左下角 Out putVariables,彈出 Out put Variables 對(duì)話框，定義 Po wer11、Po wer21、Power31 變量.運(yùn)行參數(shù)掃描分析：在工程樹(shù)中的ParametricSetu p1項(xiàng)上點(diǎn)擊右鍵，選擇Analyze,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(shù)的Results項(xiàng)點(diǎn)右鍵，選擇 Create Modal dataRe port 項(xiàng)選擇 Recta ngular Plot，點(diǎn)OK完成，則彈出對(duì)話窗默認(rèn)

13、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 2的 2倍，目標(biāo)函數(shù)為：Power31-2*Power21=0。優(yōu)化設(shè)置的對(duì)話框下在Goals標(biāo)簽頁(yè)，點(diǎn)擊左下角 Set up Calculation選項(xiàng)，彈出Add/EditCalculation對(duì)話框，點(diǎn)擊左下角Out put vadiables,創(chuàng)建新的一個(gè)目標(biāo)變量，Name欄中為：Cost,通過(guò) Insert into Express

14、ion選項(xiàng)在 Expression欄中寫(xiě)入表達(dá)式：Power31-2*Power21。然后點(diǎn)擊Add，最后點(diǎn)擊右 下方Done。返回到Add/Edit Calculation對(duì)話框，點(diǎn)擊下方AddCalculatio n，添加目標(biāo)變量到 Set up Op timization 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(yè)，在Variable列只有ofset變量，勾選 Override項(xiàng)，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(yùn)行優(yōu)化分析：在工程樹(shù)的Op timizatio nSetu

15、 p1項(xiàng)上點(diǎn)右鍵，選擇Analyze,進(jìn)行優(yōu)化分析。此過(guò)程需要幾分鐘，可進(jìn)行下面的實(shí)驗(yàn)步驟。在工程樹(shù)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)果創(chuàng)建功率分配隨變量Ofset變化的關(guān)系圖輸出變量隨變量Offset變化的關(guān)系圖1、分析：從上圖所示的圖可以看出，當(dāng)變量 Ofset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(guò)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(kāi)始減小。因此，在后面的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以設(shè)置變量 Ofset優(yōu)化范

16、圍的最大值為0.3英寸。同時(shí),在Ofset=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(chǎng)隨變量 Ofset變化rIOffset=0.6lnOffset=0.9lnJ/Offset=OinOffset=0.3in優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果1、優(yōu)化結(jié)果在 offset=0.093in 時(shí)，目標(biāo)函數(shù)(Cost function)：Power31-2* Power21=0.000003達(dá)到預(yù)期優(yōu)化效果。2

17、、優(yōu)化后電場(chǎng)分布實(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(guò)程和方法3、通過(guò)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(guò)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 15.0 3、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(zhǎng)度為0.48入半徑為入/200天線饋電采用集總端口

18、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。,1 *2、對(duì)稱振子是中間饋電，其兩臂由兩段等長(zhǎng)導(dǎo)線構(gòu)成的振子天線。一臂的導(dǎo)線半徑為 入/200長(zhǎng)度為1=0.48。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(zhǎng)度L=21。對(duì)稱振子的長(zhǎng)度與波長(zhǎng)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(guò)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：sin k (/ Z)心)仆注也+ ：)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

19、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(guò)半波長(zhǎng)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(wú)數(shù)個(gè)電流I(z),長(zhǎng)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6()兀/耐 sin kij 二 h/二 % = J其中5、方向函數(shù)sincos(A7 cosi?) -eos( AY)60/ /r町;實(shí)驗(yàn)步驟1、設(shè)計(jì)變量（以表格的形式列出來(lái)）Kflcn1 /aLne1 VnitEralTi4；ed V .1wDtscrijtL on1 Ee

20、*d-cnZy |Hiddezi 11幼內(nèi)IOCfill!icduiiDtSLL廠0 -.40iiinDd a廠0.訊rim0.24nmD已呂L廠lej-gtK/.23.Dt3L pi廠dipjodivsIWbdCOQ0 &rtDcl pt廠rid_rt4iM曲I*d-.25.Del 歹廠-r 0.1. gk Jil_Lcn.irmiD10&.0U1030-4D-120-10040-00750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(shuō)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

21、。RadHliDn Pattam 1rt=55Ci*gn2 .*網(wǎng)nj礎(chǔ)I” PWfrT iniTJUn圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部，在中心頻率3G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（或接位和極化。通常討論在遠(yuǎn)場(chǎng)半徑為常數(shù)的大球面上，天線輻射 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 圖。電場(chǎng)方向圖:trn-XXr FVy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)

22、，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:HF SSDtiignz *Radiation Pattern 3Uw? kitn dBiajriToUi 5p LmFSE磁場(chǎng)方向圖在XOY平面上接近一個(gè)圓，雖然看上去有些誤差。說(shuō)明磁場(chǎng)在XOY平面上輻射較為均勻。三維增益方向圖:況。這張圖可以很具體的看出半波偶極子天線沿著Z軸對(duì)稱輻射的情JblQainlDtsI)-9 -G 舊第-1 ITfilr-tfUlS-1 .M 石即 1-l.-?43ee4(Hl -?.0Z74e4Q31 -i.alllctOdt-2 B7曲斗oai-M.0ia7fitnAl-M.2?74t+ugt6、其

23、他參數(shù)利用HFSS軟件仿真還可以得到天線在該輻射表面上得最大輻射強(qiáng)度、方向性系數(shù)、最大強(qiáng)度及其所在方向等參數(shù)。Arvfeenndi Parameter-Inputs-Setup Nme:Solution：Arrai) Setup:Intrinsic Vaiiationr|D_5pliereSctupi ： LoitiAdoptive |rjone|Freq-3GH3iuTbiTLl 111 . .-” Cjgse j|EwportEpoit FieldsDesign Variation:I dipU亡ngth=?3,8SErT/ dbaJii Antenna Parameters:CuantityFreqValue1Man U3GHs0.1 窮 01 W/SIPeak Di世c