沈阳理工课程设计-磁偶极子天线的近区场计算

1、目录1.课程设计的目的与作用11.1设计目的：11.2设计作用：12 设计任务及所用Maxwell软件环境介绍12.1设计任务：12.2 Maxwell软件环境：23电磁模型的建立23.1建模（Model）23.1.1创建线圈33.1.2 创建球形计算区域33.1.3创建激励电流加载面43.1.4设置激励53.1.5设置涡流效应和位移电流存在区域53.1.6设置辐射边界53.1.7创建计算区域的外表面53.1.8 仿真运行65电磁模型计算及仿真结果后处理分析65.1计算辐射电阻65.2查看辐射边界上的Poynting矢量图86 设计总结和体会97 参考文献：91.课程设计的目的与作用1.1设计

2、目的：电磁场与电磁波课程理论抽象、数学计算繁杂，将Maxwell软件引入教学中，通过对典型电磁产品的仿真设计，并模拟电磁场的特性，将理论与实践有效结合，强化学生对电磁场与电磁波的理解和应用，提高教学质量。1.2设计作用：熟练使用Ansoft Maxwell 仿真软件，对电场、磁场进行分析，了解所做题目的原理。利用Ansoft Maxwell软件仿真简单的电场以及磁场分布，画出电场矢量E线图、磁感应强度B线图，并对仿真结果进行分析、总结。将所做步骤详细写出，并配有相应图片说明。2 设计任务及所用Maxwell软件环境介绍2.1设计任务：磁偶极子天线的近区场计算：计算如下图所示所受磁偶极子线圈的近

3、区场在边界上的坡印廷矢量及其辐射电阻。要求理解并掌握辐射边界的使用。其中电流环的内径r=9.5mm, 外经R=10mm，线圈材料为铜（copper）。环内通的电流为 I=0.5A 图2.1 磁偶极子天线的近区场模型图2.2 Maxwell软件环境：Ansoft Maxwell软件特点：Ansoft Maxwell 是低频电磁场有限元仿真软件，在工程电磁领域有广泛的应用。它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解，使用领域遍及电器、机械、石油化工、汽车、冶金、水利水电、航空航天、船舶、电子、核工业、兵器等众多行业，为各领域的科学研究和工程应用做出了巨大的

4、贡献。3电磁模型的建立 3.1建模（Model）Project Insert Maxwell 3D Design创建3D编辑界面。 图 3.1（a) maxwell启动界面图 图3.1（b)设置几何尺寸单位点击FileSave as Dipole antenna （工程命名为“Dipole antenna”）；选择求解器类型：Maxwell Solution Type Eddy current；设置几何尺寸单位：Modeler Units Select Units: m (meters)。 3.1.1创建线圈 点击DrawTorus；中心点：（0,0,0）输入线圈的内径：（0.0095,0,0

5、）输入线圈的外径：（0.001,0,0）将材料设置为Copper重命名为：coil创建计算区域Region 图3.1.1(a)设置线圈的材料并重命名图图3.1.1(b) 绘制环形线圈3.1.2 创建球形计算区域点击DrawSphere；中心点：（0,0,0），输入球形计算区域的半径：（0.06,0,0）；将材料设为vacuum。图3.1.2 绘制球形场3.1.3创建激励电流加载面在文件叉状树中点击coil点击Modeler Surface Section在Section Plane面板中选择YZ平面点击Modeler Boolean Separate Bodies（分离两Section面）按键

6、盘上Del 删除1个截面，将剩下的1个截面重命名为“current” 图3.1.3属性设置栏3.2设置激励选中线圈截面current点击Maxwell 3D Excitations Assign Current设置Value为0.5AType为soild3.2.1设置涡流效应和位移电流存在区域点击Maxwell Excitations Set Eddy Effects； 设置如下图 图3.2.1设置涡流效应和位移电流存在区域3.2.2设置辐射边界将region的半径表示为的函数。选中Region下的Create sphere，将半径radius改为：lambda/4+0.01 (m)，添加变量

7、lambda的定义为：c0/frequ；添加变量frequ的定义为：1.5GHz。按F键，改为面选择，选中Region的外表面，点击Maxwell Boundaries Assign Radiation，设置表面剖分的近似原则；选中外表面Maxwell Mesh Operations Assign Surface Approximation设置Maximum surface deviation：ignore和Set maximum normal deviation (angle)：15 deg和Set aspect ratio： 图3.2.2 设置参数图 3.2.3Maximum surfac

8、e deviation 表面偏差距离：模型的剖分三角平面与真实表面之间的距离若模型真实表面是平面，则表面偏差距离为0。3.2.4Maximum normal deviation模型的剖分三角平面与真实表面的法向分量之间的夹角。3.2.5Aspect ratio剖分三角单元的Aspect ratio是指三角单元的外接圆半径与三角形内径的比值。若该参数为1，表示三角单元为等边三角形。对于平面剖分，Aspect ratio的设置下限为4，对于曲面剖分，Aspect ratio的设置下限为1.2。 3.2.6创建计算区域的外表面选中Region区域的外表面Modeler Surface Create

9、Object From Face 将该面重命名为Outside 图 3.2.6（a) 空间外表面设置计算参数（Assign Executive Parameter）Maxwell 3D Parameters Assign Matrix 图 3.2.6（b) 设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）Maxwell 3D Analysis Setup Add Solution Setup最大迭代次数：Maximum number of passes：5误差要求：Percent Error: 10%频率设置：Solver Adaptive Frequency: 1.5GHz

10、图3.2.75电磁模型计算及仿真结果后处理分析5.1计算辐射电阻创建平均Poynting矢量的计算表达式Maxwell3DFieldsCalculator 图5.1 场参数设置界面Quantity EQuantity HComplex Conj（取H矢量的共轭）Cross（叉乘操作）Complex Real（取实部）Number 0.5点击AddNamed expressions Poynting ，最后点击Done。辐射电阻的计算公式：其中是边界上的辐射功率，其表达式为：Maxwell Fields Calculator 在Named Expressions栏中选中PoyntingCopy

11、to stack（将Poynting的计算设置copy到Calculator堆栈中） Geometry Surface OutsideNormal（保留Poynting的法向分量）积分点击Eval（查看结果）查看阻抗矩阵Maxwell Results Solution Data 图5.1.1 查看场效应阻抗矩阵 图5.1.2计算的辐射功率图 图5.1.3计算的辐射电阻从图可知辐射功率：W由题可知环路电流：由辐射电阻的计算公式为： 即：辐射电阻 5.2查看辐射边界上的Poynting矢量图选中Region的外表面Maxwell Fields Fields Named Expression 选中P

12、oynting图9 辐射边界上的Poynting矢量图6 设计总结和体会:通过这次课程设计，使我掌握了用MAXWELL之类的电磁仿真软件来进行电磁学具体问题进行模拟，简化了复杂的计算，生动形象，加强了对电磁学的理解和认识。刚开始接触Ansoft时，感觉很困难，但是经过一段时间的学习以后，感觉这个软件用起来还是挺方便的。这也使我对于有限元法和Ansoft有了一定的了解，对于利用仿真的方法形象的模拟静电场有了一定的体会。 在进行静电场仿真的时候，我也遇到了许多的问题。比如说，不知道还要设定气球边界，结果使左后生成的图只是集中在画图的小区域中，而气球边界是用来模拟无限大的求解区，可以有效的隔绝模型外的电荷源或电压源。再比如说，一些参数的设定上，在最后生成矢量图的时候，由于size与spacing的设定不好，出现了箭头过疏与过密的问题；其他参数的设定，一般情况下，我都是用系统的建议值。这次的静