HFSS微波仿真实验-实验报告六合一x

1、本文格式为Word版，下载可任意编辑HFSS微波仿真实验-实验报告六合一x 肇庆学院 2 12 通信 2 2 班 杨桐烁 202124124202 试验一 T T 形波导的内场分析和优化设计 试验目的 1、 熟识并把握 HFSS 的工作界面、操作步骤及工作流程。 2、 把握 T 型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原理。 试验仪器 1、 装有 windows 系统的 PC 一台 2、 HFSS13.0 或更高版本软件 3、 截图软件 T T 形波导的内场分析 试验原理 本试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

2、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。通过调整隔片的位置可以调整在端口 1 传输到端口 2,从端口 1 传输到端口 3的信号能量大小,以及反射回端口 1 的信号能量大小。 试验步骤 1、新建工程设置：运行 HFSS 并新建工程、选择求解类型、设置长度单位 2、创建 T 形波导模型：创建长方形模型、设置波端口源励、复制长方体、合并长方体、创建隔片 3、分析求解设置：添加求解设置、添加扫频设置、设计检查 4、运行仿真分析 5、查看仿真分析计算结果 内场分析 结果 1、图形化显示 S 参数计算结果 图形化显示 S 参数幅度随频率变化的曲线 2、查看表面

3、电场分布 8.00 8.25 8.50 8.75 9.00 9.25 9.50 9.75 10.00Freq GHz0.130.250.380.500.630.75Y1TeeModalXY Plot 1ANSOFTCurve Infomag(S(Port1,Port1)Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port2)Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port3)Setup1 : Sweep1 表面场分布图 3、动态演示场分布图 T T 形波导的优化设计 试验原理 利用参数扫描分析效用。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

4、着隔片位置变量 Offset 的变化关系。利用 HFSS 的优化设计效用,找出隔片的精确位置,使得在 10GHz 工作频点,T 形波导商品 3 的输出功率是端口 2 输出功率的两倍。 试验步骤 1、新建一个优化设计工程 2、参数扫描分析设置和仿真分析：添加参数扫描分析项、定义输出变量、运行参数扫描分析 3、优化设计：添加优化变量、添加目标函数、设置优化变量的取值范围、运行优化分析。 试验结果 1、创建功率安排随变量 Offset 变化的关系图 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 值渐渐变大时,即隔片位置向端口 2 移动时,端口 2 的

5、输出功率渐渐减小,端口 3 的输出功率渐渐变大；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 的输出功率开头减小。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。 优化设计结果 0.00 0.20 0.40 0.60

6、 0.80 1.00Offset in0.000.200.400.600.801.00powerpower range with offset HFSSDesign1 XY Plot 4Curve Infopower11Setup1 : LastAdaptiveFreq="10GHz"power21Setup1 : LastAdaptiveFreq="10GHz"power31Setup1 : LastAdaptiveFreq="10GHz" 试验总结 通过本次 HFSS 天线仿真试验,使我更加真实、贴切的了解天线的原理和用途。生活中

7、我们可以见到各种奇形怪状的天线,却不知其意义何在。在这次试验过程中,我不停的操作、翻阅资料、上网查阅文献,对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清晰的熟悉,对天线的各种参数也有了详细的理解,这些东西对以后的相关学习和讨论打下了基础。 试验二 S HFSS 仿真对称振子天线 试验目的 1、 熟识并把握 HFSS 的工作界面、操作步骤及工作流程。 2、 把握对称振子天线的设计方法、优化设计方法和工作原理。 试验仪器 1、 装有 windows 系统的 PC 一台 2、 HFSS13.0 或更高版本软件 3、 截图软件 试验步骤 1、新建一个优化设计工程 2、参数扫描分析设置和仿真分析：添加参数扫描分

8、析项、定义输出变量、运行参数扫描分析 3、优化设计：添加优化变量、添加目标函数、设置优化变量的取值范围、运行优化分析。 试验数据 表 1 对称振子天线三维体模型 名称 外形 顶点(x,y,z) (mm) 尺寸(mm) 材料 arm1 圆柱体 (0,0,0.5) radius=$r,height=$l Pec arm2 圆柱体 (0,0,-0.5) radius =$r,height=-$l Pec airbox 长方体 (-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r, -$lbd/3-$l) xsize=2*$lbd/3+2*$r ysize=2*$lbd/3+2*$r zsize=2*$lbd

9、/3+2*$l vacuum 表 2 对称振子天线二维面模型 名称 所在面 外形 顶点(mm) 尺寸(mm) 边界/源 feed xz 矩形 (-$r,0,-0.5) dx=2*$r, dz=1 Lumped port 表 3 变量表 变量名 变量初始值（mm） 变量值（mm） $lbd 100 $l 25 25 (50, 75, 100) $r 1 1 (2, 3, 4) 试验步骤 0 2 4 6 8 10 12 14Evaluation0.000.130.250.370.500.63Cost 1、新建一个优化设计工程 2、参数扫描分析设置和仿真分析：添加参数扫描分析项、定义输出变量、运行参

10、数扫描分析 3、优化设计：添加优化变量、添加目标函数、设置优化变量的取值范围、运行优化分析。 试验步骤 1.打开 HFSS,新建工程,将工程保存为 dipole。 2 设置求解类型。 3 设置单位。 4 画对称振子的一支臂,外形为圆柱体,命名为 arm1,材料设置为抱负导体,半径设置为变量$r,臂长设置为变量$l。 5 画馈电模型,外形为 zx 面上的矩形,命名为 feed,设置为 lumped port 激励方式。 6 画辐射箱,命名为 airbox,外形为长方体,材料为真空,边界条件为 radiation。 7 设置求解频率 3GHz,扫频 1-5GHz。 8 检查及运行计算 9 画电流分

11、布 10 画 S 参数曲线 11 画阻抗曲线 12 画方向图 13 扫描变量$l 试验结果 图 airbox 及天线 图 振子上电流幅度分布 图 |S 11 |曲线 图 24 阻抗曲线 。 图 29 二分之一波长对称振子三维增益图 图 二分之一波长对称振子 E 面方向图 图 S 参数随$r 变化曲线 图 36 $r=2mm,S 参数随$l 变化曲线 图 39 扫描变量$l 得到的方向图 试验三 HFSS 微带天线仿真设计 试验目的 1、 熟识并把握 HFSS 的工作界面、操作步骤及工作流程。 2、 把握微带天线仿真设计原理和方法。 试验仪器 1、 装有 windows 系统的 PC 一台 2、

12、 HFSS13.0 或更高版本软件 3、 截图软件 试验原理 微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。一个微波电路假如不是被导体完全封闭,电路中的不连续处就会产生电磁辐射。例如微带电路的开路端,结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会产生电磁辐射（泄漏）。当频率较低时,这些部分的电尺寸很小,因此电磁泄漏小；但随着频率的增高,电尺寸增大,泄漏就大。再经过特别设计,即放大尺寸做成贴片状,并使其工作在谐振状态。辐射就明显增加,辐射效率就大大提高,而成为有效的天线。 试验步骤 1、创建微带天线模型：设置默认的长度单位、建模相关选项设置、添加和定义设计变量、创建介质基片、创建辐射贴片、创建参考地、创建同轴馈

13、线的内芯、创建信号传输端口面 2、设置边界条件和激励：设置边界条件、设置辐射边界条件、设置端口激励 3、求解设置：求解频率和网格剖分设置、扫频设置 4、设计检查和运行仿真分析：设计检查、运行仿真分析 5、参数扫描分析：添加参数扫描分析项、运行参数扫描分析、查看分析结果 6、查看仿真分析结果 试验结果 1、查看天线回波损耗 分析：从图中可以看出设计的微带天线谐振频率在 2.45GHz 四周,且在 2.45GHz 频点上的回波损耗值为 20.7dB 左右。 2、分析谐振频率随辐射贴片长度 L0 的变化关系 分析：从图中可以看出,随着长度L0值的增加,天线的谐振频率渐渐降低。当L0=27.5mm时,

14、谐振频率为2.44GHz；当L0=28mm时,谐振频率为2.48GHz；所以 2.45GHz 谐振频率对应的 L0 长度介于 27.5mm28.mm。 3、分析谐振频率随辐射贴片长度 W0 的变化关系 分析：从上图所示分析结果可以看出,辐射贴片宽度 W0 由 30 mm 变化到 40 mm 时,天线的谐振频率变化很小,即天线的谐振频率不随辐射贴片宽度变化而变化。 试验总结 通过本次 HFSS 天线仿真试验,使我更加真实、贴切的了解天线的原理和用途。生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线,却不知其意义何在。在这次试验过程中,我不停的操作、翻阅资料、上网查阅文献,对天线仿真设计的各个环节有了一个较为

15、清晰的熟悉,对天线的各种参数也有了详细的理解,这些东西对以后的相关学习和讨论打下了基础。 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq GHz-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1)HFSSDesign1XY Plot 1ANSOFTCurve InfodB(S(1,1)Setup1 : Sweep1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq GHz-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(

16、1,1)HFSSDesign1XY Plot 2ANSOFTCurve InfodB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="26mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="26.5mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="27mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="27.5mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28.5mm"1.

17、50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq GHz-40.00-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1)HFSSDesign1XY Plot 3ANSOFTCurve InfodB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm" W0="30mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm" W0="32mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0=&quo

18、t;28mm" W0="34mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm" W0="36mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm" W0="37.26mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm" W0="38mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm" W0="40mm" 试验四 半波偶极子天线仿真试验报

19、告 试验目的 1、学会简洁搭建天线仿真环境的方法,主要是熟识日 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 试验仪器 1、装有 windows 系统的 PC 一台 2、HFSS 15.0 3、截图软件 试验原理 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。, 长度为 I。两臂之间的间隙很小,理论上可以忽视不计,

20、所以振子的总长度 L=21。对称振 子的长度与波长相比拟,本身己可以构成有用天线。 3, 在计算天线的辐射场时,经过实践证明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,并忽视振子损耗,则其电流分布可以表示为: 式中,Im 为天线上波腹点的电流;IC=WC 为相移常数、依据正弦分布的特点, 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 就会消失反相电流。 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很多个电流 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

21、 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 5、方向函数 试验步骤 1、设计变量(以表格的形式列出来) 设置求解类型为 Driven Model 类型,并设置长度单位为毫米。提前定义对称阵子天线的基本参数并初始化、创建偶极子天线模型,即圆柱形的天线模型。(模型截图贴在下面) 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,则必需设置辐射边界条件。这里创建一个沿 Z

22、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 3G 日 z,同时添加 2.5 G 日:3.5 G 日:频段内的扫频设置,扫频类型为快速扫频。 6、设计检查和运行仿真计算 7、HFSS 天线问题的数据后处理(截图,并做相应的说明) 详细在试验结果中阐释。 试验结果 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。 图中所示是在 2.5 G 日 z 3.5 G 日 z 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

23、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 赫兹四周时,电压驻波比等于 1,说明此处接近行波,传输特性比较抱负。 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。采纳双线性变换, 将 z 复平面上。实部 r=常数和虚部 x=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、

24、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,输入阻抗比较的抱负,简单实现匹配。 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。通常争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,所以又叫远场方向图。 电场方向图: 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,且沿四周匀称辐

25、射。但沿着 Z 轴方向电场强度很弱。 磁场方向图: 磁场方向图在 XOY 平面上接近一个圆,虽然看上去有些误差。说明磁场在 XOY 平面上辐射较为匀称。 三维增益方向图: 这张图可以很详细的看出半波偶极子天线沿着 Z 轴对称辐射的状况。 6、其他参数 利用 HFSS 软件仿真还可以得到天线在该辐射表面上得最大辐射强度、方向性系数、最 大强度及其所在方向等参数。 试验分析 设计一个天线,无论是作为放射天线还是接收天线,我们都很关怀其方向参数、输入阻抗参 数、增益参数、频带宽度等参数。这里也主要就上诉几个参数来争论半波偶极子天线的优缺 点。 1、半波偶极子天线在轴向无辐射 2、半波偶极子天线的辐射

26、与其电长度亲密相关。当电长度小于 0.5 时,波瓣宽度最窄,在 垂直与轴向的平面内辐射最强,随着电长度的增加,开头消失副瓣,主瓣宽度变宽,最 大辐射方向发生偏移。 3、半波偶极子天线的输入阻抗受频率影响很猛烈,说明宽频带时其较难实现负载匹配,所以相对应的频带宽度也较窄。 4、在谐振频率四周时,我们从图中可以看到,天线的输入阻抗接近传输线的特性阻抗,实现匹配较易,而且在中心频率四周,电波的传输特性也最好,从而可以实现较大效率的功率传输。 5、通过对试验得到结果的分析,不难发觉,半波偶极子天线的诸多特性与电长度关系很大,所以可以通过调成天线的电长度来实现不同效用和要求的半波偶极子天线应用。 6、最

27、终还要补充一点:半波偶极子的输入阻抗还与天线的粗细有关。 试验总结 通过本次日SS 天线仿真试验,使我更加真实、贴切的了解天线的原理和用途。生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线,却不知其意义何在。在这次试验过程中,我不停的操作、翻阅资料、上网查阅文献,对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清晰的熟悉,对天线的各种参数也有了详细的理解,这些东西对以后的相关学习和讨论打下了基础。 另外,这次试验中我感觉较难的部分在与如何通过确定一种详细天线的参量模型来模拟设计天线模型,来仿真验证天线特性。 试验五 微带犬线 试验目的 1、 熟识并把握 HFSS 的工作界面、操作步骤及工作流程。 2、 把握微带犬线仿

28、真设计原理和方法。 试验仪器 1、 装有 windows 系统的 PC 一台 2、 HFSS13.0 或更高版本软件 3、 截图软件 试验原理 微带犬线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的,它是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片,一面全部敷以金属薄层作接地板而成。辐射片可以依据不同的要求设计成各种外形。微带天线由于具有质量轻、休积小、易于制造等优点,现今已经广泛应用于个人无线通信中。 1 1 微带天线结构 是一个简洁的微带贴片天线的结构示意图,由辐射元、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度 L,辐射元的宽度W,、介质层的厚度 h、介

29、质的相对介电常数拭和损耗正切阶次介质层的长度 LG 和宽度 WG 假如介质基片中的场同时沿宽度和长度方向变化,这时微带天线应当用辐射贴片周用的 4 个缝隙的辐射来等效。 2 2 微带天线的馈电 微带天线有多种馈电方式,如微带线馈电、同轴线馈电、藕合馈电 C Coupled Feed )和缝 G!馈电(Slot Feed )等,其中最常用的是微带线馈电和同轴线馈电两种馈电方式。本章将要设计的矩形微带贴片天线采纳的是同轴线馈电。 同轴线锁电又称为背馈,已是将同轴插座安装在接地板上,同轴线内导体穿过介质基片接在辐射贴 l.f:.,如图 10.3 所示,寻取正确的馈电点的位置就可以获得良好的匹配。 3

30、 3 矩形微带天线的特性参数 1.微带辐射贴片尺寸估算 设计微带大线的第步是选择合适的介质基片,然后再估算出辐射贴片的尺寸。假设介质的介电常数为Er,对一于工作频率f的矩形微带大线,可以用 F 式没计出高效率辐射贴片的宽度*,即: 式中,c 是光速。 辐射贴片的长度一般取为儿 12,这里,凡是介质内的泞波波长,即: 考虑到边缘缩短效应后,实际_卜的辐射单元长度 L 应为: 式中,se 是有效介电常数,鱿是等效辐射缝隙长度,可以分别用下式计算: 2.同轴馈点位置的估算 对于同轴线馈电的微带贴片天线,在确定了贴片长度 L 和宽度 w 之后,还需要确定同轴线馈点的位置,馈点的位置会影响天线的输入阻抗

31、。在主模 TM 10 工作模式下,在宽度 w 方向上电场强度不变,因此馈电点在宽度、方向的位移对输入阻抗的影响很小,但在宽度方向卜偏离中心位置时,会激发TM 10- 模式,增加天线的交叉极化辐射,因此宽度方向r.馈电点的位置一般取在中心点(y=07馈电点在矩形辐射贴片长度L方向边缘处(x= L12)的输入阻抗最高,约为 t Oa 到 400 欧姆之间,而在辐射贴片的几何中心点(x!0 y=0)处的输入阻抗则为零,因此在长度 L 方向上,从辐射贴片的几何中心到两侧输入阻抗由零渐渐增大:对于如图 10.3 所示的同轴线馈电的微带贴片天线,由下式可以近似 v一算出输入阻抗为 50 欧姆时的馈电点的位

32、置: 3.辐射场 如前所述,矩形微带天线可以视作一段长 L 为 iJ2 的低阻抗微带传输线,它的辐射场被认为是由传输线两端开路处的缝隙所形成的。因此,矩形微带天线可以等效为长 w.宽方、间距为 L 的二元缝隙天线阵。 单个缝隙天线的方向性函数为: 因此,矩形微带天线的辐射场只需在单缝隙大线的表达式中乘以二元阵的阵因子就可以了。这样,矩形微带天线的方向性函数可以表示为: 工程设计中关怀的多是 F 面（ =90)和 H 面（=90）方向图,于是由式(10.1.10)可得 E 面的力向性函数为: 考虑到 kh1 ,则式(4-1-9)可以近似写为: H 面的方向性函数为: 4.方向性系数 依据方向性系

33、数的定义,可以给出微带大线的方向性系数为: 本章设计的矩形微带人线工作于 ISM 颂段,其中心频率为 2.45GHz;无线局域网( WLAN ),蓝牙、ZigBee 等无线网络均 1.作在该频段上。介质摧片采纳厚度为 1.6mm 的 FIt4 环氧树脂(FR4 Epoxy)板,其相对介质常数=4.4,天线使用 50 欧姆同轴线馈电。 下面依据 10.1 节给出的推导公式来计算微带天线的几何尺寸,包括贴片的长度 L,宽度 W 和同轴线愤点的位置 1. 矩形贴片的宽度 W 把 c=3.Ox108m/s,f0=2.45CrHz, =4.4 代入式(10-1-1)可以计算出微带天线矩形贴片的宽度, 2

34、.有效介电常数 把 h=1.6mm, W= 37.26mm, =4.4 代入式(10-1-4 ),可以计算出有效介电常数,即 3.辐射缝隙的长度L 把 h=1.6mm, W=37.26mm, =4.08 代入式( 10-1-5),可以计算出微带天线辐射缝隙的一长度, 4.矩形贴片的长度L 把 c=3.0x108m/s.f0=2.45GHz,=4.8, L=1.12mm 代入式10-1-3),可以计算出微带天线 矩形贴片的长度,即 5.同轴线馈点的位置 把=4.4 ,W=37.26mm, L=28.C37mm 代入式(10-1-7)和式10-1-6)计算出 50 欧姆匹配点的 近似位置,即 试验步骤 1. 新建工程 2. 添加自定义变量 3. 设计建模 4. 设置边界条件 5. 设置端口激励 6. 求解设置 7. 设计检查和运行仿真计算 试验结果及其截图: : 1.原试验结果 (1)建模完成： （2）.确认设计,通过 Validation Check： （3）