微波技术与天线仿真实验报告

1、微波技术与天线hfss仿真实验报告实验二h面t型波导分支器设计专业电子信息工程年级14级姓名赵广元学号1428403058指导老师评分一. 仿真实验内容和目的使用hfss设计一个带有隔片的h面t型波导分支器，首先分析隔片位于t型波导正中 央，在8t0ghz的工作频段内，波导输入输出端口的s参数随频率变化的关系曲线以及10ghz 时波导表血的电场分布；然后通过参数扫描分析以及优化设计功能分析在10ghz处输入输 出端口的s参数随着隔片位置变化而变化的关系曲线；最后利用hfss优化设计功能找出端 口三输出功率是端口二输出功率两倍时隔片所在位置。二. 设计模型简介整个h面t型波导分为两个部分：t型波

2、导模型，隔片。见图1。图1三. 建模和仿真步骤1.运行hfss并新建工程，把工程另存为tee.hfsso2. 选择求解类型：主菜单hfss-*solution type-*driven modal,设置求解类型为模式驱动。3. 设置长度单位：主菜单modelerunitsin,设置默认长度单位为英寸。4 创建长方体模型1) 从主菜单选择draw-box,进入创建长方体模型的工作状态，移动鼠标到hfssi作界面的右下角状态栏，在状态栏输入长方体的起始点坐标为(0, -0.45,0),按下回车键确认 之后在状态栏输入长方体的长宽高分别为2,0.9, 0.4。2) 再次按下回车键之后，在新建长方体的

3、属性对话框修改物体的位置，尺寸，名称， 材料和透明度等属性。在attribute选项卡中将氏方体名称项(name)修改为tee,材料属性(material)保持为真空(vacuum)不变,透明度(transparent)设置为0.4。3) 设置端口激励4) 复制长方体第二个和第三个臂5）合并长方体5 创建隔片1）创建一个长方体并设置位置和尺寸2）执行相减操作上诉步骤完成后即可得到h面t型波导的三维仿真模型图如图2所示0153 (in)图26. 分析求解设置1）添加求解设置：在工程管理窗口中展开工程并选中analyse节点，单击右键，在弹出 的快捷菜单中选择add solution type并设

4、置相关参数，完成后工程管理窗口的analyse节点 下会添加一个名称为setupl的求解设置项2）添加扫频设置：在工程管理窗口屮展开analysis节点，右键单击前面添加的setupl 求解设置项，在弹出菜单中单击add frequency sweep,并设置sweep name,，sweep type,等 参数o frequency setup项作表1所示的设置。typelin earsetupstart8ghzstop10ghzstep size0.01ghz表13）设计检查7. 运行仿真分析：hfss-*analyze all四. 仿真结果分析1 图形化显示s参数计算结果图3为sil,

5、s12, s13幅度随着频率变化的曲线。从图屮可以看出，随着频率的增加，sil, s12的幅度略有降低，s13的幅度有明显上升。2 查看表面电场分布图4位t型波导上表而场分布情况，图5为动态演示场分布图。从场分布图中可以看出，信号从端口 2进入，分别从端口 2和端口 3输出。通过调整隔 片的位置可以调节从端口 1传输到端口 2,端口 3的信号能量大小。e fleldv.per.»3.2.95io<«w322. 5s75c>603 2. 3888<«6831.9673<*ee31.77m<«e031.573f«3 l

6、.s?ne»«3e.8ss7«>w27 8693e7b2 s. 902342 >y02 1.9s73e*ee2 e.eeee<»ee0153 (in)图4-t型波导上表面场分布情况e field（v.fer.«s.2s2w««ees9.ei<»ees2.wim«ee3 2sa$x43z 37bm*«32. is*»$c«ee3 父 93983 1.7239e «683 i.se<«ee3 i.29mc>ee31.077s

7、« «ee3 8.6196e<ee2 .msw7f«21. »93«*662 2 150702 e.0eee«*eee153（m）图5动态演示场分布图五. 参数扫描研究使用hfss optimetrics模块的参数扫描分析功能，分析t型波导端口的输出功率和隔片 位置之间的关系。xy plot 1teemodal 上0为<3d 2/6箱呂史变< c"set变化化关系3：功率分配随变量offset变化的关系如图6：图6-功率分配随变量offset变化关系六. 优化设计添加优化设计项，进行优化设计，找出端口 3的

8、输出功率是端口 2输出功率两倍的隔片 位置。优化分析完成之后，在table列表里会列出变量offset优化后的最佳值。本例中，从图 7优化结果中可以看出，当变量offset=0.96in时，t型波导端口 3的输出功率是端口 2的输 出功率的两倍。右槌单击丄程树optimizationsetupl项.从弹出菜单中选择【view analysis result) 令.打 开post analysis display刘话根» /l：该对话框中.单山table单逸按钮.以数何列衣形式显示优化 讣0的迭代次数，毎次迭代的变丘值和冃标函数值.如图2.50所示.； i 4hif 9«ib

9、i y/founu (9 s 心x 6"“meterymwtufctrlh： 11« n二曲250虹只优化分析辻程o笃变伯和日祢左啟位图7七总计和思考通过本次实验，对hfss的工作界面，操作步骤以及工作流程有了一个整体的直观的认知。 期待在后面的实验中，通过不断的深入学习，进一步理解设计的原理。微波技术与天线hfss仿真实验报告实验三半波偶极子天线设计专业电子信息工程年级14级姓名赵广元学号1428403058指导老师评分一. 仿真实验内容和目的使用hfss设计一个中心频率为3ghz的半波偶极子天线。并查看天线的回波损耗，电 压驻波比，smith圆图，输入阻抗，以及方向图等

10、其他参数。二. 设计模型简介整个半波偶极子由偶极子天线和辐射边界组成，如图lo天线各部分的结构 尺寸见表1.图2变量意义变量名变量值（单位：mm）工作波长lambda100天线总长度length0.48*lambda端口距离gap0.24单个极子长度dipje ngthlen gth/2-gap/2天线半径dip radiuslambda/200辐射边界圆柱体半径rad radiusdip radius+lambda/4辐射边界圆柱体高度/2rad heightdipength+gap/2+lambda/10表1三. 建模和仿真步骤5.新建设计工程1）运行hfss并新建工程，把工程另存为dip

11、ole.hfsso2）选择求解类型：主菜单hfss-solution type-*driven modal,设置求解类型为模式驱动。3）设置模型长度单位：主菜单modeler->units->mm,设置默认长度单位为毫米。2添加和定义设计变量1）从主菜单选择hfss-*design properties命令，打开设计属性对话框添加变量lambda2）使用相同的操作步骤定义变量 iength, gap, dipjength, dip_radius, rad_radius, rad_height,并设置初始值分别为 0.48*lambda , 0.24, length/2-gap/2

12、, lambda/200 , dip_radius+lambda/4, dipjength+gap/2+lambda/10。3设计建模1）创建偶极子天线模型2）设置端口激励3）设置辐射边界条件4求解设置：分析的半波偶极子的天线在3ghz附近，所以设置求解频率为3ghz,同时添加 2.5ghz3.5ghz的扫频设置，扫频类型选择快速扫频，分析天线在2.5ghz35ghz频段内的 回波损耗和电压驻波比。1）求解频率和网格剖分设置：设置求解频率为3ghz,自适应网络剖分的最大迭代次数 为20,收敛误差为0.02o2）扫频设置：扫频类型选择快速扫频，扫频频率范围为2.5ghz3.5ghz,频率步进为

13、o.oolghzo5 设计检查和运行仿真计算四. 仿真结果分析1 回波损耗从图2可以看出，设计的偶极子天线的中心频率约为3ghz,sll<-10db的相对 带宽 bw= （3.249-2.789） /3=15.3%o图22电压驻波比vswr由图3可以看出,在中心频率为3ghz时，电压驻波比约为1.5sxy plot 2图33.smith从smith圆图的结果图4可以看出，在中心频率为3ghz吋的归一化阻抗约 为1,说明天线的端口阻抗匹配良好。vswr<2 (即反射系数|t|<l/3)的频率范 围约为 2.78ghz-3.27gh乙hfssdtsigrl 亠4输入阻抗从结果报告

14、图5中可以看出，设计的半波偶极子天线在中心频率3ghz上, 输入阻抗为(72.8-j0.4) q,和理论分析结果十分相近。1）半波偶极子xz面的增益方向图如图6hfssdesignl 厶2）半波偶极子xy面的增益方向图如图73）三维增益方向图如图*db(gemtotal) 2.mi?e<»ee01. eaiseooow.mbo$e>o00 79302ex»e l.isweamlx. we?eh»l 1.827se«e01 2.i7sc»eei2. si77<»eei 28“7ei 9.»7u»o0

15、1 3.s525c>601 98 sthfeei sv3<41 <l.9322f<»l 52"祝心1五. 总结和思考本次实验在第一次实验的基础上查看了天线的回波损耗，电压驻波比，smith圆图， 输入阻抗，以及方向图等其他参数。对这些参数的分析更加深刻的体会到了 hfss强大的仿 真功能，对相关模型的参数分析也帮助自己进一步理解了模型分析的原理。微波技术与天线hfss仿真实验报告实验四八木宇田天线设计专业电子信息工程年级14级姓名赵广元学号1428403058指导老师评分一. 仿真实验内容和目的学习理解八木天线的原理及结构，设计一个中心频率为3ghz

16、的五元八木天 线，根据给定的增益、波瓣宽度、福瓣宽度、前后辐射二匕、驻波比以及工作带宽 确定天线的振子数、各振子长度及直径、各振子间的间距等几何尺寸。二. 设计模型简介设计模型如图1,有源振子采用圆柱形对称偶极子，偶极子采用集总波端口 激励；反向器和引向器均为金属圆柱，振子垂直于xy平而，天线的引向器指向 y轴的止方向，金属振子材料为铝；选择长方形作为辐射空气腔并设置辐射边界。 该天线的工作频率为3ghz,所以我们设置求解中心频率为3ghz,并设置扫频范 围为2.5-3. 5ghzo定义的相关设计变量如表1。=o.5x4 二 0.475ah = 0.40al -0.37z子图1 -五元八木天线

17、的结构八木天线的结构尺寸:变量意义变量名变量值（单位：mm）工作波长lambda100反射器长度lr0. 5*lambda偶极子长度l00. 475*lambda反射器1长度l10. 4*lambda反射器2长度l20. 37*lambda反射器3长度l30. 34*lambda反射器和偶极子间距dr0. 18* lambda偶极子与第一个引向器 间距dl0. 18* lambda第一个引向器间距与第 二个引向器间距d20. 18* lambda第二个引向器间距与第 三个引向器间距d30. 21*lambda圆柱体半径rad0.01*lambda激励端口平面高度gap0.4表1三.建模和仿真步

18、骤1 新建hfss工程设计并保存1）创建新工程并命名为model_antenna2）设置求解类型3）模型长度单位2. 建模的相关选项设置3. 定义设计变量4. 设置模型的默认材料5. 创建有源对称振子1）创建对称振子的单臂模型2）复制生成偶极子的另一个臂6. 创建反射器模型7. 创建3个引向器的模型8. 设置集总端口激励1）创建端口激励平而2）设置集总端口激励的积分线9. 设置辐射边界条件1）创建长方体空腔2）设置辐射边界条件10. 仿真的基本设置1）求解设置2）扫频设置:2. 5ghz-3. 5ghz,步长 0. 1ghz3）仿真有效性验证及分析计算四.仿真结果分析1 天线s11参数的扫频曲

19、线由图2可以看出，八木天线的谐振点位于2.8ghz左右。与期望的中心频率3ghz还存在一定差距。图2“天线s11参数的扫频曲线5072电压驻波比曲线15w厂/z /curve movsar41)seeupi/xy plot 2mooei.amtnra 亠1240102w2治3 50图3-电压驻波比曲线五.参数扫描分析1对变量dr进行扫描分析市图4扫描分析结果可以看岀，不同dr值对应的s11扫频曲线谐振点均位于2.8ghz左右。与期望的中心频率3ghz述存在一定差距。图4-不同dr值对应的s11扫频曲线2对变量l0进行扫描分析由图5可以看出，天线谐振频率随有源振子的长度增加而降低。当l0=44.

20、5mm 时，谐振频率约为3ghz.-1000-12001400xy plot 4mooel antenna343 tarn'l0-44glo-44 6oml(x46<tmi*«3n图5-不同l0对应的sil扫频曲线-apcsg446六. 优化设计1指定优化变量：将l0指定为优化变量，优化范围为43.5mm-45mmo2 添加优化设置3 进行优化设计4查看优化结果:由图6可知hfss优化设计一共进行了 20次的迭代计算，其中第 七次迭代计算的目标函数sm的数值最小，为44.440.i optimizationsetupiresult profileiterationl0c

21、ost144 5mm14.734244 823062837611mm14 436344 0821955015717mm -14 393443.9563615833003mm14.195544 4637000108483mm -14 683644 4699196816993mm -14 663744 4408737498227mm：-14 556844 6672953304443mm -14 664944 563096724749mm14.6151044 4902899283329mm 14 7191144 4976589606531mm -14 6451244 4809093253986mm -14 7191344 4881180345244mm -14.6541444 4598898233566mm -14.61215 一44 45988803