介質(zhì)諧振器與介質(zhì)諧振器天線的建模與仿真分析(DOC)

1、第3章介質(zhì)諧振器與介質(zhì)諧振器天線的建模與仿真分析3.1介質(zhì)諧振器介質(zhì)諧振器的流程圖創(chuàng)建場覆蓋圖參數(shù)掃描參數(shù)掃描結(jié)3.1.1介質(zhì)諧振器的建模介質(zhì)諧振器的模型有很多中，本文主要是以圓柱形介質(zhì)諧振器為參考，其中，介質(zhì)諧振器的尺寸均是由本人視個(gè)人情況設(shè)定。本模型由三部分組成：諧振腔、諧振介質(zhì)和基片，如圖所示：3.1.2諧振器的設(shè)計(jì)與仿真分析（1）開始前的準(zhǔn)備工作上網(wǎng)下載電磁波仿真系統(tǒng)HFSS軟件，進(jìn)行安裝。打開HFSS軟件桌面快捷方式，啟動HFSS軟件。新建一個(gè)工程，名稱為yuancong.hfss，然后設(shè)計(jì)解決方案類型。在HFSS軟件中，具有三種求解方法。分別是受驅(qū)模式求解、受驅(qū)終端求解和本征模求解

2、。下面是三種求解方式的區(qū)別：本征模求解：計(jì)算結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振是一般采用本征模求解方式。本征模求解可算出結(jié)構(gòu)的諧振頻率和在這些諧振頻率出對應(yīng)的場，也可計(jì)算出品質(zhì)因數(shù)。因?yàn)楸菊髂栴}不包含端口和源，所以介質(zhì)諧振器運(yùn)用的求解方式是本征模求解方式。受驅(qū)模式求解：想用HFSS計(jì)算基于微波傳輸帶、波導(dǎo)、傳輸線等被動高頻結(jié)構(gòu)的基于模式的S參數(shù)時(shí)，選用DrivenModal。S參數(shù)解決將用一系列波導(dǎo)模的入射和反射能量來表示。受驅(qū)終端求解：想用HFSS計(jì)算基于終端的多導(dǎo)體傳輸線端口的S參數(shù)時(shí)，采用受驅(qū)終端求解。（2）設(shè)計(jì)模型單位選擇軟件的單位以毫米為單位。（3）創(chuàng)建空氣腔選擇菜單項(xiàng)創(chuàng)建空氣腔，其圓柱體的基坐標(biāo)

3、為（x=0,y=0,z=0），并且鍵入半徑為15mm，高度為10mm。并且勾選顯示框架項(xiàng)。創(chuàng)建新材料由于介質(zhì)諧振器是由高介電常數(shù)和低損耗的介質(zhì)材料制成，所以要?jiǎng)?chuàng)建高介電常數(shù)的材料。我們在三維模型材質(zhì)中創(chuàng)建新材質(zhì)，其中，諧振介質(zhì)的介電常數(shù)=36，命r名為DielRes在實(shí)際天線設(shè)計(jì)中，諧振器要放在介質(zhì)基片之上，基片下面是接地板，接地板如果與諧振器較近就會對諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)有影響，而且諧振器材料的介電常數(shù)必須遠(yuǎn)大于基片的介電常數(shù)。所以設(shè)置諧振基片的介電常數(shù)=9.6.r命名為subs。創(chuàng)建基片和介質(zhì)創(chuàng)建基片位置為(x=O,y=O,z=O)，其中半徑為15mm，高度為-lmm。命名為substrat

4、e。設(shè)置材料為subs創(chuàng)建介質(zhì)位置為(x=O,y=O,z=O)，其中半徑為5mm。高度為5mm。設(shè)置材料為DielRes。檢查模型設(shè)置我們已經(jīng)建立了完整的模型，分析之前唯一沒做的是設(shè)定邊界條件，我們應(yīng)用系統(tǒng)默認(rèn)的邊界為理想電邊界。由于本征模算法不需要端口激勵(lì)，所以我們不設(shè)置激勵(lì)。通過菜單項(xiàng)中的邊界顯示，得出如圖結(jié)果：SolverViewoiBoundariesNameTypeSolverVisibility|VisibilityColor|outerDefaultVisibletosolder.廠Cltree(7)設(shè)置分析建好模型后，接下來是使用HFSS軟件的分析功能來分析模型的微波性能，首先

5、添加分析功能，然后設(shè)置器件所要工作的工作頻率。完成設(shè)置后，開始分析模型。在分析設(shè)置中，主要設(shè)置工作頻率，求解頻率是用來自動劃分網(wǎng)格的，所以不要設(shè)置的太低，計(jì)算會不精確，一般取中心頻率。即設(shè)置最小頻率為3GHZ：設(shè)置模式數(shù)目為6：設(shè)置最大步數(shù)為14,設(shè)置頻率每步最大變化為25%。最小收斂步數(shù)為3.(8)仿真建立好模型和設(shè)置分析后，檢查模型邊界設(shè)置后，就可以仿真模型了，其模型驗(yàn)證如圖所示：接下來就是執(zhí)行仿真求解。(8)計(jì)算結(jié)果對于介質(zhì)諧振器，需要關(guān)注的參數(shù)是介質(zhì)諧振器的諧振頻率，各個(gè)諧振模式在諧振器內(nèi)部的場強(qiáng)分布，由于沒有激勵(lì)，所以沒有S參數(shù)。查看結(jié)果數(shù)據(jù)，其收斂性如圖所示：-Soli-tions

6、：Pfojedl-HFSSDesigrlneiignVariatior：:hwolMOhimProfilaConvergenceXPassNumbeiConecJti/cFasseslerget3Curiert3Ma-cDellaFreq.Mlorget25CunentQQ90399MumteidI*PassesCompletedJMarm-rii14MinimuinIView:Tabb陽Pht7IMaxDeltaFreq匚口忡VERGED切換到本征模數(shù)據(jù)選項(xiàng)卡，如圖所示，可以看到這些模成對出現(xiàn)，他們是衰減模。接下來通過單個(gè)模查看收斂性，如圖所示，在第七步后軟件得到的模的頻率趨于常數(shù)。容易看出

7、模5和6以及1和2實(shí)際上同一個(gè)模。訶h加ek強(qiáng)-HFSEfhreflnl-XPot1l|亙PS3|SASTp.ISF-TvPIdFiHFSSDwignl(9)場覆蓋圖1.設(shè)置場為電場幅度，經(jīng)過一系列設(shè)置后，同時(shí)可以改變激勵(lì)模，可以看到模型在XZ平面上不同模的電場幅度分布圖。如圖所示：EF1sldV_p*rjii1330(mmF模1的電場幅度分布E!FiinE.713Ee-D0156725-ffilS.HtTs-DOl5.03SEC-D014ei57c-l41962s-l3.77674-031S.S572C-A01色9977S-W12#5132c-l2.0QS7ft-ft3i1,87926-ff

8、il1.2597s-031E.HBZZe-DOS4,3073e-20153Dfrom模2的電場輻射分布2.?067e-0312.aiHBe-EHla.MI-ZHft-Wl2.2703c-031Zs09e2-Mll,92Mt：-0311.75398-001i.SBiHe-EKl1.HDGe-EH-1i.2975e-B01i.0653e-031B.5321fi-EWZ7.2107S-M25.093c-0323.76?9e-0322.0*656-9323,2516h-EM.5模3的電場輻射分布EF1ild|p-er,n3.4-922：E-e013,27396-0013.D557B-GD12.aaiH

9、e-BBl2.6132E-BH1也09匕弋如Z,JOZGe-3E311-Wke-9011,7461B-SB1i.SZI5E-BH11.SBt-QQl1.e.7313E-Q0E8,54856-0023663b-092Z.1B37E-BQ22118fi-QQE模4的電場輻射分布EFHelclY_per_m馭g?g盹龍ei!t.GE9-3e-0Bl3493C-0E1*曲殛占1乩竝g滄七n3.H196C-0B-13.1096eMl2.7995effilZ.HSaHc-OTl2,1793c：lB893eBll.ssaze-cGi1.ZH5-le-0Cl92兇也526.2&96eM23.lSH-3e-GK

10、20153Qrrm模5的電場輻射分布Erieleirper.ii5.349Hs-fi01S.0157S-BB1H.652flS-00134B3C-HB1s.BBsgTEa3.3471C-BB13,013He-0012.6797s-fi0i2.SUEC-2-QB12,0123e-061E7EGe-BBl1.SHH9e-aBii.Giiis-fiEiiE.77H9e-HBZ9,49706-002l.M?7s-fi03Q1530Cnm模6的電場輻射分布2.設(shè)置場為磁場幅度，經(jīng)過一系列設(shè)置后，同時(shí)可以改變激勵(lì)模，可以看到模型在XZ平面上不同模的電場幅度分布圖。HlFlelelA_|3erjHS.1S0

11、5C-003取脳90400日H.4675S-033lZEEe-0039.?348-051a.MM-Ms-aaam.ieh與亡-asm?WMe-i3Z.HlE5e-DS32.0T71C-D03795fi5-a331.3915-033l,052Be-Ki37.H078-WMElEBt-QOH2.BQS-BQE0153Dirnm)模1的磁場幅度分布451314093+.曲臼亡-陽ma.54B3e-Oa33.6669?-M33.384ae-33391027c-W32.fl207c-M32.5-506e-&332.2565c-M31.SJHSe-B331.692e：-W-5H-Q3-m3l,12B3e-

12、W38.H620C-MH-S.EHiae-MHfi207c-M鞋EEa慶咖即D153D(mm)模2的磁場幅度分布n9-04306642ZG-3C-0BH3.Gliae-0B417B99ts7eB47436i5eM6.JE-GHe-CGHa.isie-aau乩5邯氐I4日EIEIeYM1+IU.sK59eM43=6W3eM4B.B756e-CGHZ.HEBSe-CGH九他天占+6.ISlSe-ODE0153Dtmml模3的磁場幅度分布6.5356E-fi03?9G66E-e037.aa7Et-flBS6,8285B-00SE.25SHe-Q035.6SQHE-BH35.12148-0934552

13、3E-fi0S3.9H33E-DQ33,4142B-0032.a452E-fi08Z.Z762E-BQ3l.?37ie-g0S1.13815-093S.sqaHE-DQH0.Q3D0EI-BDQ15SOtmnil模4的磁場幅度分布HFialdEAppierjnB.a.332c-ffl337.77675-3337.E12e-W311034-0035.ESHHC-EEI399935-3333.SB&3e-M39.339e-Wi3Z.7T7He-EB32.ZE15e-a03l.e66Hff-Kiai.liifi-s-azis5,-5540e-EU0,asMe+e3H35c-03HEXHc+KC(10

14、)參數(shù)掃描將諧振介質(zhì)的高度設(shè)為變量，查看當(dāng)介質(zhì)諧振高度發(fā)生變化時(shí)，對諧振頻率有什么影響,當(dāng)變量為多少時(shí)，高度的增加對諧振頻率沒有影響。得到如圖的圖形。高度增加到一定高度時(shí)，諧振頻率將會趨于一穩(wěn)定的值，如，對于模1而言，高度為6mm為最優(yōu)高度。當(dāng)然還可以對其他參數(shù)進(jìn)行掃描優(yōu)化，操作方法基本相同，不再一一列出。3.2介質(zhì)諧振器天線介質(zhì)諧振器天線通常是由功率源激勵(lì)的。饋電的作用就是把激勵(lì)源輸入的電磁信號通過耦合作用傳輸?shù)浇橘|(zhì)諧振器上。饋電結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)應(yīng)能提高激勵(lì)源和介質(zhì)諧振器的耦合度，并且應(yīng)符合阻抗匹配要求。目前主要的饋電形式有微帶線直接饋電，微帶線縫隙耦合饋電，共面波導(dǎo)饋電，同軸探針饋電。不同形

15、式的饋電結(jié)構(gòu)，可根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)的參數(shù)數(shù)量的不同獲得不同性能的天線。主要饋電形式有微帶線饋電、同軸線饋電、電磁耦合饋電、共面波導(dǎo)饋電等。本文主要以同軸探針饋電為研究對象，以圓柱形介質(zhì)諧振器天線為例，說明探針的高度和位置對諧振器天線的影響。如圖所示：探針饋電的圓柱形DRA介質(zhì)諧振器天線與介質(zhì)諧振器建模的區(qū)別在于介質(zhì)諧振天線必須設(shè)置邊界和激勵(lì)。所建模型如圖所示：創(chuàng)建端口命名為port,設(shè)置為波端口。端口是唯一的一種允許能量流入和流出的邊界條件，所以將port端口設(shè)置為波端口。運(yùn)用銅探針，將探針的位置和高度設(shè)置為變量。1)檢查模型設(shè)置仔細(xì)檢查邊界條件設(shè)置以及波端口設(shè)置。邊界條件或設(shè)置端口設(shè)置不正確,仿真

16、的結(jié)果就會不正確。如圖：SolverViewcyfBoundariesNameSoberVisibilVi?ibilityCqIRsd1UserDefinedVisibletoseller.rJplUserDefinedVisibletosolver.routerDefaultVisibletosolver.廠1匚Lcod：-:_pinDefaultVisibletosolver.rClose設(shè)置分析建立好模型后，接下來就是使用HFSS軟件的分析功能來分析所建模型的性能。并且添加分析功能，然后設(shè)置器件所要工作的工作頻率，然后完成設(shè)置以后，開始分析。結(jié)算結(jié)果仿真完成后，查看介質(zhì)諧振器天線的S11

17、參數(shù)和場覆蓋圖。1收斂性如圖:ProfileConrargenaejflairiiData.|MeshStatistics|-NurrberofPassesConplcted4WMaMimum20Minimum1D.13-MawMag.DeltaSTmg或0-03質(zhì)0.10Current0.015136益/iew：Iable,Plot呂：PassNumbefMawMag.DeltaCONVERGED-ConsecUtNePassesTerget1Ci-rrent1D.D30.00PassNumber2創(chuàng)建終端S參數(shù)磁場圖，其效果如圖：訥XYPIoMHFSSDS9li1鼻-&00U.T-WLSS

18、2I9D10w15W2GM4.6o&6Q7M可以看出，在5GHz6.5GHz頻帶內(nèi)，反射系數(shù)S11變化劇烈，表明探針天線是一個(gè)窄帶器件。3.創(chuàng)建二維遠(yuǎn)場極坐標(biāo)圖打開創(chuàng)建報(bào)告，設(shè)置報(bào)告類型為遠(yuǎn)場，顯示方式為輻射格式，設(shè)置Mag卡：將種類設(shè)置為增益，其效果圖如圖所示：HadiationPattern1130圖12.5GHz方向圖radiationHatt&rnzHhSyDesignl4RadiationPattern3o-1fl0CutmbInfodBiGaJnTatjiljSeh-pi:iwpFreoe.DGSGHrPTiiegdB1GainTatiil：iScftjpl:Sweep尸比屮氐改石

19、Hz對已眼旳HFSSDesignl.蠱GlMVQ舊旳dB(GdJn7口ta卄Sslip1.SYrapFrecF7GhT,PhDdegdBCGainTQtaJISetupl-Sweep圖37GHz方向圖天線的輻射特性可以形象的用方向圖來描述，有必要對此款天線的方向圖特性進(jìn)行分析。當(dāng)阻抗帶寬最優(yōu)時(shí)，圖1、圖2和圖3分別是介質(zhì)諧振器天線E面和H面在2.5GHz、5.02GHz、7GHz時(shí)的輻射方向圖。由圖可知發(fā)現(xiàn)天線在2.5GHz的中頻段，方向圖基本穩(wěn)定。然而在在5.02GHz和7GHz的高頻段，方向圖有所惡化，這直接導(dǎo)致天線工作于高頻段時(shí)輻射效率下降。在要求不太高的情況下，這款圓柱形介質(zhì)諧振器天線

20、的輻射特性基本滿足要求。參數(shù)求解及優(yōu)化1參數(shù)求解：首先定義變量，將探針位置的X坐標(biāo)設(shè)為變量a，將探針的高度設(shè)為height.同時(shí)加入輸出變量Sllmag.分析得到求解結(jié)果為：/泡獻(xiàn)ableGetOtheiiGweepVariables-Value.QPlot丫：:Setupl:LatAdaptive:max(s11mag):F干oooonicd費(fèi)ItEEr卑益E861.001.502.002.503.00heightLinmJ3504.00求解結(jié)果（圖形解）Variationah已ightrria:-!(s11maqj:F【E!q5Ck.11mm1mm0.8612071753675821mm2.5mm0.995676299187661耳1mm4mm0.9412375642463S842SmiTi1mm076428553008541852.5