工程電磁場與波仿真設(shè)計(jì)-磁偶極子天線的近區(qū)場計(jì)算

1、PAGE PAGE 20目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc391309754 目錄 PAGEREF _Toc391309754 h 1 HYPERLINK l _Toc391309755 1、課程設(shè)計(jì)的目的與作用 PAGEREF _Toc391309755 h 1 HYPERLINK l _Toc391309756 1.1、設(shè)計(jì)目的： PAGEREF _Toc391309756 h 1 HYPERLINK l _Toc391309757 1.2、設(shè)計(jì)作用： PAGEREF _Toc391309757 h 2 HYPERLINK l _Toc391309758

2、 2、設(shè)計(jì)任務(wù)及所用Maxwell軟件環(huán)境介紹 PAGEREF _Toc391309758 h 2 HYPERLINK l _Toc391309759 2.1、設(shè)計(jì)任務(wù) PAGEREF _Toc391309759 h 2 HYPERLINK l _Toc391309760 2.2、Maxwell軟件環(huán)境： PAGEREF _Toc391309760 h 3 HYPERLINK l _Toc391309761 3、電磁模型的建立 PAGEREF _Toc391309761 h 3 HYPERLINK l _Toc391309762 3.1、建模 PAGEREF _Toc391309762 h 3

3、 HYPERLINK l _Toc391309763 3.1.1、創(chuàng)建線圈 PAGEREF _Toc391309763 h 4 HYPERLINK l _Toc391309764 3.1.2.創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域sphere1 PAGEREF _Toc391309764 h 6 HYPERLINK l _Toc391309765 3.1.3.創(chuàng)建激勵(lì)電流加載圖 PAGEREF _Toc391309765 h 7 HYPERLINK l _Toc391309766 3.2.設(shè)置激勵(lì) PAGEREF _Toc391309766 h 8 HYPERLINK l _Toc391309767 3.2.1.設(shè)置輻

4、射邊界Radiation Boundary PAGEREF _Toc391309767 h 10 HYPERLINK l _Toc391309768 3.2.2.將sphere1的半徑表示為l的函數(shù) PAGEREF _Toc391309768 h 10 HYPERLINK l _Toc391309769 3.2.3.設(shè)置表面剖分的近似原則 PAGEREF _Toc391309769 h 12 HYPERLINK l _Toc391309770 3.2.4.Maximun surface deviation PAGEREF _Toc391309770 h 12 HYPERLINK l _Toc3

5、91309771 3.25.Maximun normal deviation PAGEREF _Toc391309771 h 13 HYPERLINK l _Toc391309772 3.2.6、Aspect ratio PAGEREF _Toc391309772 h 13 HYPERLINK l _Toc391309773 3.2.7、創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域的外表面 PAGEREF _Toc391309773 h 13 HYPERLINK l _Toc391309774 3.3、設(shè)置計(jì)算參數(shù) PAGEREF _Toc391309774 h 13 HYPERLINK l _Toc391309775 3.

6、4、設(shè)置自適應(yīng)計(jì)算參數(shù) PAGEREF _Toc391309775 h 14 HYPERLINK l _Toc391309776 3.5、Check & Run PAGEREF _Toc391309776 h 14 HYPERLINK l _Toc391309777 3.6、計(jì)算輻射電阻 PAGEREF _Toc391309777 h 15 HYPERLINK l _Toc391309778 3.6.1、創(chuàng)建平均Poynting矢量的計(jì)算表達(dá)式 PAGEREF _Toc391309778 h 15 HYPERLINK l _Toc391309779 3.6.2、求邊界上的輻射功率 PAGERE

7、F _Toc391309779 h 16 HYPERLINK l _Toc391309780 3.6.3、計(jì)算輻射電阻 PAGEREF _Toc391309780 h 17 HYPERLINK l _Toc391309781 3.7、查看輻射邊界上的Poynting矢量圖 PAGEREF _Toc391309781 h 18 HYPERLINK l _Toc391309782 4、電磁模型計(jì)算及仿真結(jié)果后處理分析 PAGEREF _Toc391309782 h 18 HYPERLINK l _Toc391309783 5、設(shè)計(jì)總結(jié)和體會 PAGEREF _Toc391309783 h 19 H

8、YPERLINK l _Toc391309784 6、參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc391309784 h 201、課程設(shè)計(jì)的目的與作用1.1、設(shè)計(jì)目的： 電磁場與電磁波課程理論抽象、數(shù)學(xué)計(jì)算復(fù)雜，將Maxwell軟件引入教學(xué)中，通過對典型電磁產(chǎn)品的仿真設(shè)計(jì)，并模擬電磁場的特性，將理論與實(shí)踐有效結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生對電磁場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： 磁偶極子天線的近區(qū)場計(jì)算。讓我們更好的理解與掌握Maxwell這個(gè)軟件的作用，提高了我們的耐心，同時(shí)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(jié)果進(jìn)行總結(jié)和分析。了解了我們所做題目的原理步驟。讓我們對電

9、磁場的學(xué)習(xí)深化，以便以后的學(xué)習(xí)更加容易。熟練使用Ansoft Maxwell 仿真軟件，對電場、磁場進(jìn)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(yīng)強(qiáng)度B線圖，并對仿真結(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) 計(jì)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 SEQ 圖表 *

10、ARABIC 1任務(wù)設(shè)計(jì)圖2.2、Maxwell軟件環(huán)境：Ansoft Maxwell 軟件特點(diǎn)：Ansoft Maxwell 是低頻電磁場有限元仿真軟件，在工程電磁場領(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)用做出了巨大的貢獻(xiàn)。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

11、型：Maxwell 3D Solution Type Eddy current四、設(shè)置幾何尺寸單位：Modele Units Select Units: meter 3.1.1、創(chuàng)建線圈 一、Draw Torus 二、輸入中心點(diǎn)，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(shè)置材料：Copper 四、重命名：coil圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 2 設(shè)置線圈材料并重命名圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 3建立并設(shè)置完成后的線圈圖3.1.2.創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域sphere1 一、Darw sphere 二、輸入中心點(diǎn)和球形計(jì)算區(qū)域的半徑

12、分別為：（0,0,0，）和（0.006,0,0） 三、設(shè)置材料：Vacuum圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 4繪制完成的球形區(qū)域3.1.3.創(chuàng)建激勵(lì)電流加載圖 一、Select coil 二、Modeler Surface Section 三、選擇平面：YZ平面 四、分離兩Section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 SEQ 圖表 * ARABIC 5激勵(lì)電流加載面 3.2.設(shè)置激勵(lì) 選中線圈截面：current一、Maxwell 3D Excitations Assign Current二、

13、設(shè)置環(huán)內(nèi)通電流：I=0.8A三、設(shè)置類型:soild 圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 6設(shè)置環(huán)內(nèi)通電流并設(shè)置類型圖設(shè)置渦流效應(yīng)和位移電流存在區(qū)域：Maxwell 3D Excitations Set Eddy Effects圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 7設(shè)置渦流和位移電流圖 3.2.1.設(shè)置輻射邊界Radiation Boundary 一、輻射邊界在仿真電磁場區(qū)域問題時(shí)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(shí)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(shè)置同時(shí)使用。 四、輻

14、射邊界一般都設(shè)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(xí)慣于將研究目標(biāo)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修改radius：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 Radiat

15、ion圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 8設(shè)置參數(shù)1圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 9設(shè)置參數(shù)23.2.3.設(shè)置表面剖分的近似原則選中外表面 一、Maxwell Mesh Operations Assign Surface Approximation (1)、Maxwell surface devation:ignore (2)、Set maximun normal deviation（angle）:15 deg (3)、Set aspect ratio:10圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 10設(shè)置表面剖分的近似原則3.2.4.Maximun surface deviation

16、 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。3.25.Maximun 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。3.2.6、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(shè)置下限為4，對于曲面剖分，Aspect ratio的設(shè)置下限為1.2。3.2.7、創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域的外表面 選中sphere1區(qū)域的外表面Modeler Surface Create Object

17、 From Face3.3、設(shè)置計(jì)算參數(shù)一、設(shè)置計(jì)算參數(shù)：Maxwell 3D Parameters Assign Matrix圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 11設(shè)置計(jì)算參數(shù)圖3.4、設(shè)置自適應(yīng)計(jì)算參數(shù) 一、設(shè)置自適應(yīng)參數(shù)：Maxwell 3D Analysis Setup Add solution Setup 二、最大迭代次數(shù)：5 三、誤差要求：10% 四、頻率設(shè)置：1.5GHz (Solver Adaptive Frequency)3.5、Check & Run 一、檢查：Maxwell 3D Validation check 圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 12進(jìn)行檢查圖二

18、、分析：Maxwell 3D . Analyze ALL3.6、計(jì)算輻射電阻 3.6.1、創(chuàng)建平均Poynting矢量的計(jì)算表達(dá)式 打開計(jì)算器：Maxwell 3D Fields Calculator二、引入?yún)?shù)：Quantity E ; Quantity H 三、取H矢量的共軛：Complex conj 四、叉乘：Cross 五、取實(shí)部：Complex Real 六、寫入系數(shù)：Number 0.5 七、點(diǎn)乘：* 八、將公式添加進(jìn)表： （1）、點(diǎn)擊Add (2)、Named expressions Poynting Done 圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 13創(chuàng)建Poynting矢量的

19、計(jì)算表達(dá)式 3.6.2、求邊界上的輻射功率 打開計(jì)算器：Maxwell Fields Calculator二、打開Poynting矢量：在Named Eepressions欄中選中Poynting三、將Poynting矢量設(shè)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(jié)果（Eval）圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 14寫入邊界上的輻射功率圖3.6.3、計(jì)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Maxwell 3D Fields Fields Named Expression二、選中Poynting4、電磁模型計(jì)算及仿真結(jié)果后處理分析圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 15電磁模型的仿真圖表 SEQ 圖表 * ARA