HFSS天线设计有限元方法2[专业技术]

1、四、四、HFSS的使用与实例的使用与实例 1、HFSS的安装： 依次安装: HFSS SCAP LIB 然后安装补丁： 见后图 并复制 license.lic to Admin 1高级教学 2高级教学 2、HFSS的应用： 以实例说明： 实例实例1：探针馈电的贴片天线：探针馈电的贴片天线 创建一个工程 3高级教学 注意检查： a)ToolsOptionsHFSS Options b)ToolsOptions3D Modeler Options Check it 4高级教学 设置求解类型：设置求解类型：HFSSSolution TypeDriven Tenminal 模式驱动：计算以模式为基础的

2、模式驱动：计算以模式为基础的S参数，根据波导模式的入射和反射功率表示参数，根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩参数矩 阵的解，波导、天线、散射场等多用这个模式。这是种从场的方式进行仿真分析，给阵的解，波导、天线、散射场等多用这个模式。这是种从场的方式进行仿真分析，给 出的是功率。出的是功率。 终端驱动：计算以终端为基础的多导体传输线端口的终端驱动：计算以终端为基础的多导体传输线端口的S参数，此时，根据传输线终端参数，此时，根据传输线终端 的电压和电流表示的电压和电流表示S参数矩阵的解，参数矩阵的解， 微带类用这个比较多。这是种从路的角度仿真分微带类用这个比较多。这是种从路的角度仿真分 析，

3、给出的是电压电流，而集中端口就是通过析，给出的是电压电流，而集中端口就是通过RLC参数计算阻抗。参数计算阻抗。 本征模：计算某一结构的本征模式或谐振，本征模求解器可以求出该结构的谐振频率本征模：计算某一结构的本征模式或谐振，本征模求解器可以求出该结构的谐振频率 以及这些谐振频率下的场模式。以及这些谐振频率下的场模式。 5高级教学 建模过程：建模过程： （1）设置模型单位：3D ModelerUnits选择cmOK 2) 选择模型材料： 在search 材料框中 输入 rogers RT/等选 择5880材 料 6高级教学 3）建立基底：DrawBox在底部的坐标输入框中输入坐标,确认后在属性对

4、话 框中输入基底名称SUB1，键入CTRL+D，缩小全部显示基底 （-5，-4.5, 0）回车 （10, 9， 0.32）回车 键入Sub1 键入Ctrl+D 7高级教学 4）建立infinite ground：DrawRectangle在底部的坐标输入框中输 入坐标,确认后在属性对话框中输入地的名称inf_gnd，Ok, 然后键入 CTRL+D，缩小全部显示基底 （-5，-4.5, 0）回车 （10, 9， 0）回车 8高级教学 5）设置地的边界条件： EditSelectby name选择inf_gndok HfssBoundariesAssignPerfect E 输入名称perf_gn

5、d, 确认infinite ground plane 被checkedok 9高级教学 6）在地上打孔并完成地的设计： Drawcircle输入圆盘位置坐标 （-0.5, 0，0）和半径（0.16, 0, 0）ok 取名cut_out，确认。 同时选择(按住ctrl键点鼠标选择） inf_gnd和cut_out, ok 3D Modeler Boolean Subtract 如图选择blank和tool parts，ok 地就建好了。 10高级教学 11高级教学 7）贴片设计： Drawrectangle输入坐标（-2，-1.5，0.32）确认输入增量（4, 3, 0）确认 输入贴片名称pat

6、ch 12高级教学 8）设置贴片的电特性，完成贴片设计： EditSelect by name选择patchok HFSSBoundariesAssignPerfect E 输入名称： Perf_patch 确认。 13高级教学 9）馈电同轴线建模： 首先设置默认材料为真空 DrawCylinder输入位置坐标 （-0.5, 0, 0）回车， 半径（0.16, 0, 0）回车 同轴线长度（0, 0，-0.5）回车 从properties 窗口中输入名称 coax 按住ctrl+alt,拖动鼠标变换视角 14高级教学 选择默认材料为pec， 建立同轴线的轴心 Drawcylinder输入 柱位置

7、坐标（-0.5, 0, 0） 柱半径（0.07, 0, 0） 柱长（0, 0, -0.5）确认 输入名称coax_pin ok 15高级教学 10）创建波端口激励 DrawCircle输入端口面 的位置坐标 （-0.5,0，-0.5） 输入半径（0.16,0,0） 命名为port1，确认 选择port1,设置激励 HFSSExcitationsAssign Wave prot 设置端口名p1,点击下一步 16高级教学 终端数目：1 从终端线中选择new line 出现下列对话框，并在底部的 坐标输入框中输入矢量线的位 置坐标始点（-0.34,0，-0.5） 长度为（-0.09,0,0）确认，下

8、 一步到完成即可。 17高级教学 说明两点： （1）两种波端口加法： Wave port：假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与 端口相同的截面和材料，每个端口都是独立的激励并且在端口中每一个入射模 式的平均功率为1瓦。 Lumped port：这种激励避免建立一个同轴或者波导激励，从而在一定程度上 减轻了模型量，也减少了计算时间。Lumpport也可以用一个面来代表，要注意 的是对该port的校准线和阻抗线的设置一定要准确，端口在空间上一定要与其 他金属（或者电面）相连，否则结果记忆出错。 （2）本例中波端口新线的定义位置示意 0.07 0.16 中心位置坐标是-0.5，所

9、以外径的位置是： -0.5+0.16=-0.34 指向轴心的长度为：0.16-0.07=0.09 矢量线的位置坐标始点（-0.34,0，-0.5） 长度为（-0.09,0,0） 18高级教学 11）创建探针（probe)，完成贴片天线设计 DrawCylinder输入坐标 （-0.5,0,0） 半径（0.07,0,0） 长度（0,0,0.32）确认 命名为probe即可。 19高级教学 12）创建辐射边界条件 首先选择真空材料 Drawbox输入辐射边界的位置坐标 （-5，-4.5,0） 长宽高（10, 9, 3.32）确认 命名为air， Ctrl+D 缩小观察尺寸 20高级教学 下边设置辐

10、射边界条件： Editselectfaces 选择air的5个面，除了底面。 HFSSboundariesradiation 命名为rad1, 确认即可 21高级教学 22高级教学 13）设置辐射场分析条件 HFSSradiationinsert far field setupinfinite sphere 在对话框中如图选择参数 确定 23高级教学 14）创建分析设置 HFSSanalysis setupadd solution setup 选择General tab 求解频率：2.25GHz 最大迭代处理阶段数：20 （即hfss完成仿真的最大迭代次数，如果 在这个次数之内达到了delta

11、 S的收敛值， 就可以认为达到计算要求，否则会要求修 正收敛精度和迭代次数） 每个阶段的最大delta S: 0.02 （即收敛精度，这个与端口设计有关，是 两个连续迭代求解S参数的数量变化的收 敛值，即如果两次迭代过程的S参数的数 量变化和相位变化均小于这个设定值，那 么自适应分析求解就会停止，否则将继续 修改网格，直到在规定的迭代次数内达到 精度要求为止，否者结果是发散的，不能 用） 24高级教学 继续加人频率计算范围： HFSSanalsis setupadd sweepok 如图编辑sweep 窗口： 25高级教学 保存工程，即可开始经行求解分析。 26高级教学 15）求解分析 模型检

12、查：HFSSValidation check 分析开始：HFSSanalyze 查看求解结果的敛散性： HFSSresultssolution data 27高级教学 创建输出数据报表： a) S参数特性： 如图操作： 确认即可： 28高级教学 在图中点鼠标右键可 mark all trace,找到最小 值的频率和带宽。 S11的定义： 就是端口1的反射系数， 定义为反射电压和入射 电压的比值。如果从功 率角度讲，可以理解为 反射功率/入射功率，即 回波损耗。与驻波比和 反射系数的关系是： 11 11 1 1 S VSWR S 11 2,10VSWRSdB 由于天线与馈线的阻抗不匹配或者天线与

13、发射机的阻抗不匹配，高频能量反由于天线与馈线的阻抗不匹配或者天线与发射机的阻抗不匹配，高频能量反 射，并与前行波干扰形成驻波。当完全匹配时，反射系数为射，并与前行波干扰形成驻波。当完全匹配时，反射系数为0，驻波比为，驻波比为1， 这是理想状态。这是理想状态。 29高级教学 b)远区辐射场特性 创建求解报告如图示： 如图设置输出参数 30高级教学 31高级教学 1、dBm dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为： 10lgP（功率值/1mw）。 例1 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为 0dBm。 例2 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的 值应为： 10lg（40W/1mw)=

14、10lg（40000） =10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。 有关增益单位的定义：有关增益单位的定义： 32高级教学 2、dBi 和dBd dBi和dBd是考征增益的值（功率增益），两者都是一个 相对值， 但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向 性天线，dBd的参考基准为偶极子，所以两者略有不同。 一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表 示出来要大2. 15。 例3 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位 为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数位，为18dBi）。 例4 0dBd=2.15dBi。 例5 GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi）， GSM1800天线增益可以为15dBd（17dBi)