工程電磁場與波仿真設計—磁偶極子天線的近區(qū)場計算

1、目錄目錄11、課程設計的目的與作用11.1、設計目的：11.2、設計作用：22、設計任務及所用Maxwell軟件環(huán)境介紹22.1、設計任務22.2、Maxwell軟件環(huán)境：33、電磁模型的建立33.1、建模33.1.1、創(chuàng)建線圈43.1.2.創(chuàng)建計算區(qū)域sphere163.1.3.創(chuàng)建激勵電流加載圖73.2.設置激勵83.2.1.設置輻射邊界Radiation Boundary103.2.2.將sphere1的半徑表示為l的函數(shù)103.2.3.設置表面剖分的近似原則123.2.4.Maximun surface deviation123.25.Maximun normal deviation1

2、33.2.6、Aspect ratio133.2.7、創(chuàng)建計算區(qū)域的外表面133.3、設置計算參數(shù)133.4、設置自適應計算參數(shù)143.5、Check & Run143.6、計算輻射電阻153.6.1、創(chuàng)建平均Poynting矢量的計算表達式153.6.2、求邊界上的輻射功率163.6.3、計算輻射電阻173.7、查看輻射邊界上的Poynting矢量圖184、電磁模型計算及仿真結果后處理分析185、設計總結和體會196、參考文獻201、課程設計的目的與作用1.1、設計目的： 電磁場與電磁波課程理論抽象、數(shù)學計算復雜，將Maxwell軟件引入教學中，通過對典型電磁產(chǎn)品的仿真設計，并模擬電

3、磁場的特性，將理論與實踐有效結合，強化學生對電磁場與電磁波的理解和應用，提高教學質(zhì)量。 1.2、設計作用： 磁偶極子天線的近區(qū)場計算。讓我們更好的理解與掌握Maxwell這個軟件的作用，提高了我們的耐心，同時能看見電場線仿真出來的效果，使我們更加清楚電場線的分布。能對結果進行總結和分析。了解了我們所做題目的原理步驟。讓我們對電磁場的學習深化，以便以后的學習更加容易。熟練使用Ansoft Maxwell 仿真軟件，對電場、磁場進行分析，了解所做題目的原理。利用Ansoft Maxwell 軟件仿真簡單的電場以及磁場分布，畫出電場矢量E線圖、磁感應強度B線圖，并對仿真結果進行分析、總結。將所做步驟

4、詳細寫出，并配有相應圖片說明。2、設計任務及所用Maxwell軟件環(huán)境介紹2.1、設計任務 計算如下圖所示所受磁偶極子線圈的近區(qū)場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。 使用電流環(huán)的內(nèi)徑r=9.5mm，外徑R=10mm,線圈材料為銅（copper）。環(huán)內(nèi)通的電流為I=0.8A。圖表 1任務設計圖2.2、Maxwell軟件環(huán)境：Ansoft Maxwell 軟件特點：Ansoft Maxwell 是低頻電磁場有限元仿真軟件，在工程電磁場領域有廣泛的應用。它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場計算轉變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼?，使用領域遍及電器、機械、石油化工

5、、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)，為各領域的科學研究和工程應用做出了巨大的貢獻。3、電磁模型的建立3.1、建模一、建模：Project > Insert Maxwell 3D Design二、保存：File > Save as > mengxianlei 三、選擇求解器類型：Maxwell 3D > Solution Type > Eddy current四、設置幾何尺寸單位：Modele > Units > Select Units: meter 3.1.1、創(chuàng)建線圈 一、Draw > Torus 二、輸入中

6、心點，線圈內(nèi)徑和線圈的外徑分別為：（0,0,0）、（0.0095,0,0）和（0.001,0,0） 三、設置材料：Copper 四、重命名：coil圖表 2 設置線圈材料并重命名圖表 3建立并設置完成后的線圈圖3.1.2.創(chuàng)建計算區(qū)域sphere1 一、Darw > sphere 二、輸入中心點和球形計算區(qū)域的半徑分別為：（0,0,0，）和（0.006,0,0） 三、設置材料：Vacuum圖表 4繪制完成的球形區(qū)域3.1.3.創(chuàng)建激勵電流加載圖 一、Select > coil 二、Modeler > Surface >Section 三、選擇平面：YZ平面 四、分離兩S

7、ection面：Modeler > Boolean > Separate Bodies 五、刪除多余截面，并將剩余截面重命名為：current圖表 5激勵電流加載面 3.2.設置激勵 選中線圈截面：current一、Maxwell 3D > Excitations > Assign > Current二、設置環(huán)內(nèi)通電流：I=0.8A三、設置類型:soild 圖表 6設置環(huán)內(nèi)通電流并設置類型圖一、 設置渦流效應和位移電流存在區(qū)域：Maxwell 3D > Excitations > Set Eddy Effects圖表 7設置渦流和位移電流圖 3.2.1

8、.設置輻射邊界Radiation Boundary 一、輻射邊界在仿真電磁場區(qū)域問題時使用，輻射邊界可完全吸收該邊界所包圍區(qū)域向外輻射時的電磁波，不會造成電磁波的反射。 二、輻射邊界只在渦流求解器中使用。 三、輻射邊界必須與位移電流（Displacement current）設置同時使用。 四、輻射邊界一般都設為球形（也可以是其他形狀），輻射邊界到輻射源的距離一般大于電磁波波長的1/4。 在天線的輻射問題中，一般習慣于將研究目標或區(qū)域的尺寸表示為電磁波波長（l,lambda）的函數(shù)。 3.2.2.將sphere1的半徑表示為l的函數(shù)選中sphere1下的Createsphere一、 修改rad

9、ius：lambda/4+0.01 (m)（1）、添加變量lambda的定義：c0/frequ （c0為真空光速）（2）、添加變量frequ的定義：1.5GHz 二、面選擇：Edit > Select > Faces 三、選sphere1的外表面：Maxwell > Boundaries > Assign > Radiation圖表 8設置參數(shù)1圖表 9設置參數(shù)23.2.3.設置表面剖分的近似原則選中外表面 一、Maxwell > Mesh Operations > Assign > Surface Approximation (1)、Maxwe

10、ll surface devation:ignore (2)、Set maximun normal deviation（angle）:15 deg (3)、Set aspect ratio:10圖表 10設置表面剖分的近似原則3.2.4.Maximun surface deviation 表面偏差距離：模型的剖分三角平面與真實表面之間的距離，若模型真實表面是平面，則表面偏差距離為0。3.25.Maximun normal deviation 模型的剖分三角平面與真實表面的法向分量之間的夾角。3.2.6、Aspect 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

11、形內(nèi)徑的比值。若該參數(shù)為1，表示三角單元與等邊三角形。對于平面剖分，Aspect ratio的設置下限為4，對于曲面剖分，Aspect ratio的設置下限為1.2。3.2.7、創(chuàng)建計算區(qū)域的外表面 選中sphere1區(qū)域的外表面Modeler > Surface > Create Object From Face3.3、設置計算參數(shù)一、設置計算參數(shù)：Maxwell 3D > Parameters > Assign > Matrix圖表 11設置計算參數(shù)圖3.4、設置自適應計算參數(shù) 一、設置自適應參數(shù)：Maxwell 3D > Analysis Setup

12、> Add solution Setup 二、最大迭代次數(shù)：5 三、誤差要求：10% 四、頻率設置：1.5GHz (Solver > Adaptive Frequency)3.5、Check & Run 一、檢查：Maxwell 3D > Validation check 圖表 12進行檢查圖二、分析：Maxwell 3D .> Analyze ALL3.6、計算輻射電阻 3.6.1、創(chuàng)建平均Poynting矢量的計算表達式 一、 打開計算器：Maxwell 3D > Fields > Calculator二、引入?yún)?shù)：Quantity > E

13、 ; Quantity > H 三、取H矢量的共軛：Complex > conj 四、叉乘：Cross 五、取實部：Complex > Real 六、寫入系數(shù)：Number > 0.5 七、點乘：* 八、將公式添加進表： （1）、點擊Add (2)、Named expressions > Poynting Done 圖表 13創(chuàng)建Poynting矢量的計算表達式 3.6.2、求邊界上的輻射功率 一、 打開計算器：Maxwell > Fields > Calculator二、打開Poynting矢量：在Named Eepressions欄中選中Poynt

14、ing三、將Poynting矢量設置copy到Calculator堆棧中：Copy to stack四、Geometry > Surface > ObjectFromFace1五、保留Poynting的法向分量：Normal六、積分并查看結果（Eval）圖表 14寫入邊界上的輻射功率圖3.6.3、計算輻射電阻 3.7、查看輻射邊界上的Poynting矢量圖 選中sphere1的外表面一、 Maxwell 3D > Fields > Fields > Named Expression二、選中Poynting4、電磁模型計算及仿真結果后處理分析圖表 15電磁模型的仿真

15、圖表 16電腦運行出來的輻射功率結果圖 從圖可知輻射功率：Pav=1.19933832043437W由題可知環(huán)路電流：Irms=0.8A由輻射電阻的計算公式為： 即：輻射電阻5、設計總結和體會 在這次課程設計當中，我們第一天進行的是對麥克斯韋軟件的初步操作和熟悉，我們花了一天的時間在熟悉Maxwell軟件的操作，初步掌握了它的使用方法。根據(jù)軟件上的介紹和老師給出的練習題目作了許多關于電磁場與電磁波的練習。雖然我們開始花了一整天的時間才做出來，但在快驗收的時候才發(fā)現(xiàn)做的出了錯，各種調(diào)整修改，即使在老師的幫助下也都不行，于是便下狠心刪了，重做了一個，但這次花了不到半個小時就做完了，而且還做對了。才發(fā)現(xiàn)自己對這個軟件已經(jīng)初步熟悉的掌握了，心里很是欣慰。第二天，當我們真正做自己的課程設計的時候，就發(fā)現(xiàn)操作起來就更加的得心應手了，雖然遇到了軟件上的許多問題，例如操作的時候軟件總是突然退出，不能夠復制、粘貼和保