电磁场与电磁波课程设计 磁偶极子天线的近区场计算

PAGEPAGE13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： 12.2Maxwell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AnsoftMaxwell仿真软件，对电场、磁场进行分析，了解所做题目的原理。利用AnsoftMaxwell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2.2Maxwell软件环境：AnsoftMaxwell软件特点：AnsoftMaxwell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贡献。3电磁模型的建立3.1建模（Model）Project>InsertMaxwell3DDesign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File>Saveas>Dipoleantenna（工程命名为“Dipoleantenna”）；选择求解器类型：Maxwell>SolutionType>Eddycurrent；设置几何尺寸单位：Modeler>Units>SelectUnits:m(meters)。3.1.1创建线圈点击Draw>Torus；中心点：（0,0,0）输入线圈的内径：（0.0095,0,0）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Draw>Sphere；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SectionPlane面板中选择YZ平面点击Modeler>Boolean>SeparateBodies（分离两Section面）按键盘上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Maxwell3D>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>SetEddyEffects；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Createsphere，将半径radius改为：lambda/4+0.01(m)，添加变量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>MeshOperations>Assign>SurfaceApproximation…设置Maximumsurfacedeviation：ignore和Setmaximumnormaldeviation(angle)：15deg和Setaspectratio：图3.2.2设置参数图3.2.3Maximumsurfacedeviation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。3.2.4Maximumnormaldeviation模型的剖分三角平面与真实表面的法向分量之间的夹角。3.2.5Aspectratio剖分三角单元的Aspectratio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，Aspectratio的设置下限为4，对于曲面剖分，Aspectratio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>CreateObjectFromFace将该面重命名为Outside图3.2.6（a)空间外表面设置计算参数（AssignExecutiveParameter）Maxwell3D>Parameters>Assign>Matrix图3.2.6（b)设置自适应计算参数（CreateAnalysisSetup）Maxwell3D>AnalysisSetup>AddSolutionSetup最大迭代次数：Maximumnumberofpasses：5误差要求：PercentError:10%频率设置：Solver>AdaptiveFrequency:1.5GHz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Maxwell3D>Fields>Calculator…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Add…Namedexpressions>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NamedExpressions栏中选中PoyntingCopytostack（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>SolutionData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>NamedExpression…选中Poynting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。这次的静电场仿真作业让我对静电场有了更加深入的了解，同时对解析法有了更加深刻的体会。基本掌握了Maxwell的基本操作，对利用计算机工具求解电磁场问题有了更加深刻的认识。7参考文献:【1】玛