电磁场HFSS试验报告材料

1、实用文档实验一 T 形波导的内场分析实验目的1、熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步骤及工作流 程。2、掌握 T 型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原 理。实验仪器1 、 装有 windows 系统的 PC 一台2、HFSS15.0 或更高版本软件3、截图软件实验原理本实验所要分析的器件是下图所示的一个带有隔片的 T 形波导。 其中，波导的端口 1 是信号输入端口， 端口 2 和端口 3 是信号输出端 口。正对着端口 1 一侧的波导壁凹进去一块， 相当于在此处放置一个 金属隔片。通过调节隔片的位置可以调节在端口 1 传输到端口 2，从 端口 1 传输到端口 3 的信号能量大小，以及反射

2、回端口 1 的信号能量 大小。T形波导实验步骤1、新建工程设置：运行HFSS并新建工程：打开HFSS软件后，自动创建一个新工程：Projectl ，由主菜单选File'Save as ，保存在指定的文件夹 内，命名为 Ex1_Tee;由主菜单选 Project' Insert HFSS Design ， 在工程树中选择HFSSModel1点右键，选择 Rename项，将设计命 名为 TeeModel。选择求解类型为模式驱动(Drive n Model):由主菜单选HFSS'Solution Type ，在弹出对话窗选择 Driven Model 项。设置长度单位为in

3、:由主菜单选3D Modeler'Units，在Set ModelUn its对话框中选中in项。2、创建T形波导模型：创建长方形模型：在Draw菜单中，点击Box 选项，在Comma nd 页输入尺寸参数以及重命名；在Attribute 页我们可以为长方体设置 名称、材料、颜色、透明度等参数 Tran spare nt (透明度)将其设为0.8。Material(材料)保持为 Vacuum设置波端口源励：选中长方体平行于 yz 面、 x=2 的平面；单击 右键，选择 Assign ExcitationWave port 项，弹出 Wave Port 界 面，输入名称 WavePort

4、l;点击积分线(IntegrationLine)下的Newline ，则提示绘制端口，在绘图区该面的下边缘中部即( 2,0,0) 处 点左键，确定端口起始点，再选上边缘中部即 (2,0,0.4) 处，作为端 口终点。复制长方体：展开绘图历史树的 ModelVacuumTee 节点，右 键点击 Tee 项，选择 EditDuplicateAround Axis ，在弹出对话窗 的Axis项选择Z,在An gel项输入90deg,在Total Number项输入 2,点OK则复制、添加一个长方体，默认名为 TEE_1重复以上步 骤,在 Angel 项输入-90,则添加第 3 个长方体,默认名 Te

5、e_2.合并长方体：鼠标右键切换到物体选择状态。 选中第 1 个长方体, 按下 Ctrl 键的同 时选 中第 2、 3 个长方体 ,由主 菜单 选 3D ModelerBooleanUnite ,则将三个长方体组合在一起,形成了一个 T型接头。创建隔片：绘制长方体： Draw/box 命令任意创建一个长方体, 确定位置参数：绘图工程树双击 CreateBox1 在属性对话窗口的 Comma nd页在 Position 项输入-0.45i n , offset-0.05in , Oin，调整长方体尺寸; 由 T 型接头中减去间隔： 在历史树中选择 Tee 项, 按 下 Ctrl 键 的 同 时

6、再 选 中 Septum 项 。 由 主 菜 单 选 3D Modeler'Boolean'Subtract ，在弹出对话窗口中，确定 Tee 在 BiankParts列，Septum在Tool Parts列（即将间隔从型接头中去掉），点 OK完成。3、分析求解设置：在工程树中，找到 TeeModelAnalysis 节点，点右键 ，选择 AddSolution Setup ，弹出对话窗。在 General 标签页的 Solution 项输入10,默认单位为 GHz在Adaptive Solutions的MaximumNumber of Passes 项设为 3，其它不变，点击

7、确定。添加扫频设置：在工程树中的 Setup1 项上点右键，选择 Add Fren que ncy Sweep在弹出对话窗中选择 Ge neral项，其它具体设置 默认不变；在Type栏选择Lin ear Step，定义频率范围为：8 10GH? 阶长0.05GHz点OK完成。设计检查：主菜单选 HFSSValidation Check ，则弹出确认检查 窗口，对设计进行确认。全部完成且没有错误时，点 Close 结束。4、运行仿真分析：由主菜单选 HFSSAnalyze all ，对设计的模型进行三维场分析 求解。求解全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。5、查看仿真分析计算结果：创建一个

8、 S 参数的矩形曲线图； 创建一个电场视图； 创建动态演 示场覆盖图 内场分析结果1 、 图形化显示 S 参数计算结果实用文档0.500.380.25mag(S(P ort1,P ortl)Setupl : Sw eep1-mag(S(P ort1,P ort2) Setup1 : Sw eep1-mag(S(P ort1,P ort3) Setup1 : Sw eep10.6300Freq GHz10.00图形化显示S参数幅度随频率变化的曲线DI22、查看表面电场分布3.1. 古両SfES2. IMSrWff, l冷？st彌L. T7血皿L.EMUiAaJL.2-3K«403 L.

9、 Jj15*ch»3i.常*7.5 I ll«l乳话“亡加 L. 971 刚皿02 気或I沁3 .-£IC3S. GKMVE-O03 2. DQiMh>S3 2. DDM0E ->QH332.293Hb->«K53i. Erasaam 1I.逾1日由置宕 1 B15iS-G0g：&Mi. GKEZe-002 £B . GKM3 OE »WK!表面场分布图3、动态演示场分布图3,40798*003乩蜀均百咖m2,酣H0已也加2, LB殛咖d l,95Z0e*003 1. 丁耳嗪已咖5 1.52304 4

10、1;931.簧1加已也加 1.094自.皿咖立 乩5眄弘咖2 4. 35S9etfSZ 2.ia00et2 .QQDQetSD实验总结:实验二T形波导的优化设计实验目的1、熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步骤及工作流 程。2、掌握T型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原 理。实验仪器1、装有windows系统的PC 台2、HFSS15.0或更高版本软件3、截图软件实验原理利用参数扫描分析功能。分析在工作频率为10GHz时，T形波导3个端口的信号能量大小随着隔片位置变量 Offset 的变化关系。利用 HFSS的优化设计功能，找出隔片的准确位置，使得在10GHz工作频点，T形波导商品3的

11、输出功率是端口 2输出功率的两倍。实验步骤1 、新建一个优化设计工程；由主菜单选 FileOpen ，打开第二部分所创建的 Ex1_Tee.hfss 文 件。由主菜单选 FileSave as ，保存在自建文件夹内，命名为 OptimTee.hfss ，删除频率扫描。2、参数扫描分析设置和仿真分析：在工程树中选 Optimetrics 项上点右键，选择 AddParametrie 项添加参数扫描分析项。定义输出变量：添加变量扫描定义：在对话窗的 SweepDefinitions标签页，点击Add,在新弹出窗口中已经默认调节变量为offset选择Lin ear step 项，变量范围设为0 1,

12、阶长为0.1 , 单位均为in，点击Add，则在窗口右侧加入调节变量及其设置。点 OK。定义输出变量：在 Calculations 标签页（注：设置页面可以在 工程树下 Opimetrics/ParametricSetup1 打开）,点击左下角 Setup Calculation ,则弹出 Add/Edit Calculations 对话窗。点击左下角 Output Variables ,弹出 Output Variables 对话框,定义 Power11、 Power21、Power31 变量.运行参数扫描分析：在工程树中的 ParametricSetup1 项上点击 右键，选择 Analy

13、ze ，对参数设置中变量扫描定义的每一个变量进行3D场分析求解。全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。创建 S 参数与 Offset 变量的关系曲线图：在工程树的 Results 项点右键，选择 Create Modal data Report 项选择 Rectangular Plot ， 点0K完成，则弹出对话窗默认选择 Trace选项。3、优化设计：添加优化变量： 由主菜单选 HFSSDesign Properties ，在弹出 对话窗选择 Optimization 项，在 offset 栏勾选 Include 项，点击确 定完成。添加目标函数：这里的优化目标是端口 3的输出功率是端口

14、2的 2倍，目标函数为：Power31-2*Power2仁0。优化设置的对话框下在 Goals 标签页， 点击左下角 Setup Calculation 选项，弹出 Add/Edit Calculation 对话框，点击左下角 Output vadiables ，创建新的一个 目标变量，Nam中为：Cost，通过 Insert into Expression选项在Expression栏中写入表达式：Power31-2*Power21。然后点击 Add, 最后点击右下方Dona返回到Add/Edit Calculation 对话框，点击 下方 Add Calculation ,添加目标变量到 S

15、etup Optimization 对话 框 Cost 中。设置优化变量的取值范围： 选择 Variables 标签页,在 Variable 列只有 offset 变量,勾选 Override 项,在 starting Value 列输入 0.1。Min中：0，Max中：0.3,ofset 变化范围在0到0.3in之间。运行优化分析：在工程树的OptimizationSetupl项上点右键，选择Analyze，进行优化分析。此过程需要几分钟，可进行下面的实验步骤。在工程树的OptimizationSetup1项上点右键，选择View AnalysisResult，察看优化结果。实验结果0.00

16、 _ _ .0.00-0.20°0.40'0.6。°°°°0.80°°''1.00Offset in0.201、创建功率分配随变量Offset变化的关系图power range with offsetXY Plot 4HFSSDesign11.00Curve Info1 pow er11 Setup1 : LastAdaptiveFreq='10GHz' pow er21Setup1 : LastAdaptiveFreq='10GHz'pow er31 Setup1 :

17、 LastAdaptive Freq='10GHz'3o o6 4 a a rewop输出变量随变量Offset变化的关系图分析：从上图所示的图可以看出，当变量 Offset值逐渐变大时， 即隔片位置向端口 2移动时，端口 2的输出功率逐渐减小，端口 3的 输出功率逐渐变大；当隔片位置变量 Offset超过0.3英寸时，端口 1的反射明显增大，端口 3的输出功率开始减小。因此，在后面的优 化设计中，可以设置变量 Offset优化范围的最大值为0.3英寸。同 时，在Offset=0.1英寸时，端口 3的输出功率约为0.65，端口 2的 输出功率略大于0.3，此处端口 3的输出功率

18、约为端口 2输出功率的 两倍。因此，在优化设计时，可以设置变量Offset的优化初始值为0.1英寸。另外，变量Offset优化范围的最小值可以取0英寸。2、表面电场随变量 Offset变化Offset=OinOffset=0.3inOffset=0.6 inOffset=0.9in优化设计结果1、优化结果|Qp4 i Ki i 車细 pLfDisplay口回 図Ft i£b1« I r Pkxe09houva3Iril血嗨1Ugihoumire10.2-311ISQ.DOG&I72110 M552D457&3M771 h t).D49K514tli趣4型圧理

19、UW0.0512n B虽Ea再阿勒如 o血切少IEQ 05 30隔咖65亦$芒玉1»6|在 offset=0.093in 时，目标函数(Cost function ):E HieMn_pflr_n1 53 WPower31-2*Power2仁0.000003达到预期优化效果。2、优化后电场分布3. 27MIS+0033 96We+003 2.2. 6E60S+0032. 250?e+0032.1.3155+0031. 63Be+DS31. 4*323e +003 lZ；77etB03 ±.毗幻"0的 B-1BM54+00?6.H - 09Z；e+0©Z2

20、. E14Ble+BS2 0 0£C0e+900实验总结:实验三半波偶极子天线仿真实验报告实验目的1、学会简单搭建天线仿真环境的方法， 主要是熟悉日HFSS软件的使 用方法2、了解利用HFSS仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法3、通过天线的仿真，了解天线的主要性能参数，如驻波比特性、smith 圆图特性、方向图特性等4、通过对半波偶极子天线的仿真，学会对其他类型天线仿真的方法实验仪器1、装有windows系统的PC台2、HFSS 15.03、截图软件实验原理本次实验设计一个中心频率为3GHZ的半波偶极子天线。天线沿着Z轴放置，中心位于坐标原点，天线材质使用理想导体，总长度为0.

21、48 入，半径为入/200。天线馈电米用集总端口激励方式，端口距离为 0.24mm,辐射边界和天线的距离为入/4。首先明白一点：半波偶极子天线就是对称阵子天线2、对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。一臂的导线半径为入/200。长度为1=0.48入。两臂之间的间隙很小， 理论上可以忽略不计，所以振子的总长度L=21。对称振子的长度与波长相比拟，本身己可以构成实用天线。3、在计算天线的辐射场时，经过实践证实天线上的电流可以近似认 为是按正弦律分布。取图1的坐标，并忽略振子损耗，则其电流分布 可以表示为：/(z) = /msinA(Z|z|) =IM sin kl z)lm si

22、nk(/ + z)式中，Im为天线上波腹点的电流;k为相移常数、根据正弦分布 的特点，对称振子的末端为电流的波节点；电流分布关于振子的中心 店对称;超过半波长就会出现反相电流。4、在分析计算对称振子的辐射场时，可以把对称振子看成是由无数 个电流I(z),长度为dz的电流元件串联而成。利用线性媒介中电磁 场的叠加原理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。图2对称振子辐射场的计算如图2所示，电流元I(z)所产生的辐射场为，空3丝土竺sin %其中 FWIXOSO5、方向函数f<0)cos( kl cos 0) 一 cos( kl)60/sin 0实验步骤1、设计变量(以表格的形式列出

23、来)BaineValueIfnitEvaluated V.TypeDescripti oaRead-jMilyHid轴lamb lai100ITAIMmmDesigTLr厂Jlength0.4S*la.48mDesignr厂gap0.2电0.2:4mmDesignr厂dip.ltncth,23 ee»Otxipir厂dipadiuslambda/2000. 5mmDesignr厂t 且 d_radius.dipjrad.25.5mmDesignr厂radh-ti ghl34amD«E9 pir厂- 设置求解类型为Driven Model类型，并设置长度单位为毫米提前定义对称

24、阵子天线的基本参数并初始化、创建偶极子天线模型，其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。设置端口激励（附以截图）半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平 行于YZ面的矩形面作为激励端口平面。4、设置辐射边界条件（截图）要在HfSS中计算分析天线的辐射场，则必须设置辐射边界条件。这里创建一个沿Z轴放置的圆柱模型，材质为空气。把圆柱体的表面设置为辐射边界条件外加激励求解设置分析的半波偶极子天线的中心频率在3GHz同时添加2.5 GHz:八3.5 GHz:频段内的扫频设置，扫频类型为快速扫频。5、设计检查和运行仿真计算6、HFSS天线问题的数据后处理（截图，并做相应的

25、说明）具体在实验结果中阐释。实验结果1、回波损耗S11回波损耗回波损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是 一对线自身的反射，是天线设计需要关注的参数之一。I-图中所示是在2.5 GHz八3.5 GHz频段内的回波损耗，设计的偶极子天线中心频率约为3GHz, S11<-10dBd的相对带宽BW=3.25-2.775) /3*1000/=15.83%2、电压驻波比驻波比，一般指的就是电压驻波比，是指驻波的电压峰值与电 压谷值之比。由图可以看到在3G赫兹附近时，电压驻波比等于1,说明此处接近行波，传输特性比较理想。3、smith圆图史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简 便图解方法

26、。采用双线性变换，将z复平面上。实部r=常数和虚部x二常数两族正交直线变化为正交圆并与：反射系数|G|=常数和虚部X= 常数套印而成。从smith圆图可以看到，在中心频率 3G赫兹时的归一化阻抗约 为1,说明端口的阻抗特性匹配良好。4、输入阻抗传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质上是个等效阻抗。只有确定了输入阻抗，才能进行阻抗匹配图中所示的输入阻抗分别为实部和虚部， 在中心频率3G赫兹时，输入阻抗比较的理想，容易实现匹配。5、方向图方向图是方向性函数的图形表示，他可以形象描绘天线辐射 特性随着空间方向坐标的变化关系。辐射特性有辐射强度、场强、相 位和极化。通常讨论在远场半径为常数的大球面上，天线辐射（或接收）的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律，并分别称为功率方 向图和场方向图。天线方向图是在远场区确定的， 所以又叫远场方向电场方向图:HFSSDBEign?Radiation Pattern 1GunelnrtodBCOhnToW 黑hQ*l LM1A舱D问电 Frpqa-IGWPliisiiMPtf由图可以看到，电场方向以Z轴为对称轴，在XOY平面上电场最强，且沿四周均匀辐射。但沿着Z轴方向电场强度很弱。磁场方向图:HFSSDesi2 *Radiation Pattern 2ln*oidBfG-aJnTolal)Seiup