電磁場HFSS實驗報告

1、精選文檔實驗一 T形波導(dǎo)的內(nèi)場分析實驗?zāi)康?、熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步驟及工作流程。2、掌握T型波導(dǎo)功分器的設(shè)計方法、優(yōu)化設(shè)計方法和工作原理。實驗儀器1、 裝有windows 系統(tǒng)的PC 一臺2、 HFSS15.0 或更高版本軟件3、 截圖軟件實驗原理本實驗所要分析的器件是下圖所示的一個帶有隔片的T形波導(dǎo)。其中，波導(dǎo)的端口1是信號輸入端口，端口2和端口3是信號輸出端口。正對著端口1一側(cè)的波導(dǎo)壁凹進去一塊，相當于在此處放置一個金屬隔片。通過調(diào)節(jié)隔片的位置可以調(diào)節(jié)在端口1傳輸?shù)蕉丝?，從端口1傳輸?shù)蕉丝?的信號能量大小，以及反射回端口1的信號能量大小。T形波導(dǎo)實驗步驟1、新建工程設(shè)置：

2、運行HFSS并新建工程：打開 HFSS 軟件后，自動創(chuàng)建一個新工程： Project1，由主菜單選 FileSave as ，保存在指定的文件夾內(nèi)，命名為Ex1_Tee；由主菜單選 Project Insert HFSS Design，在工程樹中選擇 HFSSModel1，點右鍵，選擇 Rename項，將設(shè)計命名為 TeeModel。選擇求解類型為模式驅(qū)動（Driven Model）：由主菜單選 HFSSSolution Type ，在彈出對話窗選擇Driven Model 項。設(shè)置長度單位為in：由主菜單選 3D ModelerUnits ，在 Set Model Units 對話框中選中

3、in 項。2、創(chuàng)建T形波導(dǎo)模型：創(chuàng)建長方形模型：在 Draw 菜單中，點擊 Box 選項，在Command 頁輸入尺寸參數(shù)以及重命名；在Attribute頁我們可以為長方體設(shè)置名稱、材料、顏色、透明度等參數(shù)Transparent（透明度）將其設(shè)為0.8。Material（材料）保持為Vacuum。設(shè)置波端口源勵：選中長方體平行于 yz 面、x=2 的平面；單擊右鍵，選擇 Assign ExcitationWave port項，彈出 Wave Port界面，輸入名稱WavePort1；點擊積分線 (Integration Line) 下的 New line ，則提示繪制端口，在繪圖區(qū)該面的下邊緣

4、中部即（2,0,0)處點左鍵，確定端口起始點，再選上邊緣中部即(2,0,0.4)處，作為端口終點。復(fù)制長方體：展開繪圖歷史樹的 ModelVacuumTee節(jié)點，右鍵點擊Tee項，選擇 EditDuplicateAround Axis，在彈出對話窗的Axis項選擇Z，在Angel項輸入90deg，在 Total Number 項輸入2，點OK，則復(fù)制、添加一個長方體，默認名為TEE_1。重復(fù)以上步驟，在Angel項輸入-90，則添加第3個長方體，默認名Tee_2.合并長方體：鼠標右鍵切換到物體選擇狀態(tài)。選中第1個長方體，按下 Ctrl鍵的同時選中第2、3個長方體，由主菜單選 3D Modele

5、rBooleanUnite，則將三個長方體組合在一起，形成了一個T型接頭。創(chuàng)建隔片：繪制長方體：Draw/box命令任意創(chuàng)建一個長方體，確定位置參數(shù)：繪圖工程樹雙擊CreateBox1在屬性對話窗口的 Command 頁，在Position項輸入-0.45in , offset-0.05in , 0in，調(diào)整長方體尺寸；由 T 型接頭中減去間隔：在歷史樹中選擇 Tee 項，按下Ctrl 鍵的同時再選中Septum項。由主菜單選3D ModelerBooleanSubtract ，在彈出對話窗口中，確定Tee在Blank Parts列，Septum在Tool Parts列（即將間隔從型接頭中去掉

6、），點OK完成。3、分析求解設(shè)置：在工程樹中，找到 TeeModelAnalysis 節(jié)點，點右鍵 ，選擇Add Solution Setup ，彈出對話窗。在 General 標簽頁的Solution 項輸入10，默認單位為GHz，在 Adaptive Solutions的 Maximum Number of Passes 項設(shè)為3，其它不變，點擊確定。添加掃頻設(shè)置：在工程樹中的Setup1項上點右鍵，選擇Add Frenquency Sweep，在彈出對話窗中選擇General項，其它具體設(shè)置默認不變；在Type欄選擇Linear Step，定義頻率范圍為：810GHz，階長0.05GHz

7、，點OK完成。設(shè)計檢查：主菜單選HFSSValidation Check，則彈出確認檢查窗口，對設(shè)計進行確認。全部完成且沒有錯誤時，點Close結(jié)束。4、運行仿真分析：由主菜單選HFSSAnalyze all，對設(shè)計的模型進行三維場分析求解。求解全部完成后，在信息管理區(qū)會出現(xiàn)確定信息。5、查看仿真分析計算結(jié)果：創(chuàng)建一個S參數(shù)的矩形曲線圖；創(chuàng)建一個電場視圖；創(chuàng)建動態(tài)演示場覆蓋圖內(nèi)場分析結(jié)果1、 圖形化顯示S參數(shù)計算結(jié)果圖形化顯示S參數(shù)幅度隨頻率變化的曲線2、 查看表面電場分布 表面場分布圖3、動態(tài)演示場分布圖實驗總結(jié)：實驗二 T形波導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計實驗?zāi)康?、熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步驟及

8、工作流程。2、掌握T型波導(dǎo)功分器的設(shè)計方法、優(yōu)化設(shè)計方法和工作原理。實驗儀器1、 裝有windows 系統(tǒng)的PC 一臺2、 HFSS15.0 或更高版本軟件3、 截圖軟件實驗原理利用參數(shù)掃描分析功能。分析在工作頻率為10GHz時，T形波導(dǎo)3個端口的信號能量大小隨著隔片位置變量Offset的變化關(guān)系。利用HFSS的優(yōu)化設(shè)計功能，找出隔片的準確位置，使得在10GHz工作頻點，T形波導(dǎo)商品3的輸出功率是端口2輸出功率的兩倍。實驗步驟1、新建一個優(yōu)化設(shè)計工程；由主菜單選FileOpen，打開第二部分所創(chuàng)建的Ex1_Tee.hfss文件。由主菜單選 FileSave as，保存在自建文件夾內(nèi)，命名為Op

9、timTee.hfss，刪除頻率掃描。2、參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析：在工程樹中選Optimetrics項上點右鍵，選擇AddParametrie項添加參數(shù)掃描分析項。定義輸出變量：添加變量掃描定義：在對話窗的 Sweep Definitions 標簽頁，點擊Add，在新彈出窗口中已經(jīng)默認調(diào)節(jié)變量為offset選擇Linear step項，變量范圍設(shè)為01，階長為0.1，單位均為 in，點擊 Add，則在窗口右側(cè)加入調(diào)節(jié)變量及其設(shè)置。點OK。定義輸出變量：在Calculations標簽頁（注：設(shè)置頁面可以在工程樹下Opimetrics/ParametricSetup1打開），點擊左下角Setu

10、p Calculation，則彈出Add/Edit Calculations對話窗。點擊左下角Output Variables，彈出Output Variables對話框，定義Power11、Power21、Power31變量.運行參數(shù)掃描分析：在工程樹中的ParametricSetup1項上點擊右鍵，選擇Analyze，對參數(shù)設(shè)置中變量掃描定義的每一個變量進行3D場分析求解。全部完成后，在信息管理區(qū)會出現(xiàn)確定信息。創(chuàng)建S參數(shù)與Offset變量的關(guān)系曲線圖：在工程樹的 Results項點右鍵，選擇Create Modal data Report項選擇Rectangular Plot，點OK完成

11、，則彈出對話窗默認選擇Trace選項。3、優(yōu)化設(shè)計：添加優(yōu)化變量： 由主菜單選HFSSDesign Properties，在彈出對話窗選擇Optimization項，在offset欄勾選Include項，點擊確定完成。 添加目標函數(shù)：這里的優(yōu)化目標是端口3的輸出功率是端口2的2倍，目標函數(shù)為：Power31-2*Power21=0。優(yōu)化設(shè)置的對話框下在 Goals 標簽頁，點擊左下角Setup Calculation選項，彈出Add/Edit Calculation對話框，點擊左下角Output vadiables，創(chuàng)建新的一個目標變量，Name欄中為：Cost，通過Insert into E

12、xpression選項在Expression欄中寫入表達式：Power31-2*Power21。然后點擊Add，最后點擊右下方Done。返回到Add/Edit Calculation對話框，點擊下方Add Calculation，添加目標變量到Setup Optimization對話框Cost中。設(shè)置優(yōu)化變量的取值范圍：選擇Variables標簽頁，在Variable列只有offset變量，勾選Override項，在starting Value列輸入0.1。Min中：0，Max中：0.3,offset變化范圍在0到0.3in之間。運行優(yōu)化分析：在工程樹的 OptimizationSetup1

13、項上點右鍵，選擇Analyze，進行優(yōu)化分析。此過程需要幾分鐘，可進行下面的實驗步驟。在工程樹的OptimizationSetup1項上點右鍵，選擇View Analysis Result，察看優(yōu)化結(jié)果。實驗結(jié)果1、 創(chuàng)建功率分配隨變量Offset變化的關(guān)系圖輸出變量隨變量Offset變化的關(guān)系圖分析：從上圖所示的圖可以看出，當變量Offset值逐漸變大時，即隔片位置向端口2移動時，端口2的輸出功率逐漸減小，端口3的輸出功率逐漸變大；當隔片位置變量Offset超過0.3英寸時，端口1的反射明顯增大，端口3的輸出功率開始減小。因此，在后面的優(yōu)化設(shè)計中，可以設(shè)置變量Offset優(yōu)化范圍的最大值為0

14、.3英寸。同時，在Offset=0.1英寸時，端口3的輸出功率約為0.65，端口2的輸出功率略大于0.3，此處端口3的輸出功率約為端口2輸出功率的兩倍。因此，在優(yōu)化設(shè)計時，可以設(shè)置變量Offset的優(yōu)化初始值為0.1英寸。另外，變量Offset優(yōu)化范圍的最小值可以取0英寸。2、表面電場隨變量Offset變化Offset=0in Offset=0.3inOffset=0.6in Offset=0.9in優(yōu)化設(shè)計結(jié)果1、優(yōu)化結(jié)果在offset=0.093in時，目標函數(shù)（Cost function）：Power31-2*Power21=0.000003達到預(yù)期優(yōu)化效果。2、 優(yōu)化后電場分布實驗總結(jié)

15、：實驗三 半波偶極子天線仿真實驗報告實驗?zāi)康?、學(xué)會簡單搭建天線仿真環(huán)境的方法，主要是熟悉日HFSS軟件的使用方法2、了解利用HFSS仿真軟件設(shè)計和仿真天線的原理、過程和方法3、通過天線的仿真，了解天線的主要性能參數(shù)，如駐波比特性、smith圓圖特性、方向圖特性等4、通過對半波偶極子天線的仿真，學(xué)會對其他類型天線仿真的方法實驗儀器1、裝有windows系統(tǒng)的PC一臺2、HFSS 15.03、截圖軟件實驗原理本次實驗設(shè)計一個中心頻率為3GHz的半波偶極子天線。天線沿著Z軸放置，中心位于坐標原點，天線材質(zhì)使用理想導(dǎo)體，總長度為0.48，半徑為/200。天線饋電采用集總端口激勵方式，端口距離為0.2

16、4mm，輻射邊界和天線的距離為/4。 首先明白一點:半波偶極子天線就是對稱陣子天線。2、對稱振子是中間饋電，其兩臂由兩段等長導(dǎo)線構(gòu)成的振子天線。一臂的導(dǎo)線半徑為/200。長度為l=0.48。兩臂之間的間隙很小，理論上可以忽略不計，所以振子的總長度L=21。對稱振子的長度與波長相比擬，本身己可以構(gòu)成實用天線。3、在計算天線的輻射場時，經(jīng)過實踐證實天線上的電流可以近似認為是按正弦律分布。取圖1的坐標，并忽略振子損耗，則其電流分布可以表示為: 式中，Im為天線上波腹點的電流;k為相移常數(shù)、根據(jù)正弦分布的特點，對稱振子的末端為電流的波節(jié)點;電流分布關(guān)于振子的中心店對稱;超過半波長就會出現(xiàn)反相電流。4、

17、在分析計算對稱振子的輻射場時，可以把對稱振子看成是由無數(shù)個電流I(z),長度為dz的電流元件串聯(lián)而成。利用線性媒介中電磁場的疊加原理，對稱振子的輻射場是這些電流元輻射場之矢量和。圖2對稱振子輻射場的計算如圖2所示，電流元I(z)所產(chǎn)生的輻射場為5、方向函數(shù)實驗步驟1、設(shè)計變量(以表格的形式列出來) 設(shè)置求解類型為Driven Model類型，并設(shè)置長度單位為毫米。提前定義對稱陣子天線的基本參數(shù)并初始化、創(chuàng)建偶極子天線模型，即圓柱形的天線模型。(模型截圖貼在下面)其中偶極子天線的另外一個臂是通過坐標軸復(fù)制來實現(xiàn)的。設(shè)置端口激勵(附以截圖)半波偶極子天線由中心位置饋電，在偶極子天線中心位置創(chuàng)建一個

18、平行于YZ面的矩形面作為激勵端口平面。4、設(shè)置輻射邊界條件(截圖) 要在HfSS中計算分析天線的輻射場，則必須設(shè)置輻射邊界條件。這里創(chuàng)建一個沿Z軸 放置的圓柱模型，材質(zhì)為空氣。把圓柱體的表面設(shè)置為輻射邊界條件。外加激勵求解設(shè)置分析的半波偶極子天線的中心頻率在3GHz，同時添加2.5 GHz:3.5 GHz:頻段內(nèi)的掃頻設(shè)置，掃頻類型為快速掃頻。5、設(shè)計檢查和運行仿真計算6、HFSS天線問題的數(shù)據(jù)后處理(截圖，并做相應(yīng)的說明)具體在實驗結(jié)果中闡釋。實驗結(jié)果1、回波損耗S11 回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，是一對線自身的反射，是天線設(shè)計需要關(guān)注的參數(shù)之一。圖中所示是在2.5

19、 GHz 3.5 GHz頻段內(nèi)的回波損耗，設(shè)計的偶極子天線中心頻率約為3GHz, S11-10dBd的相對帶寬BW= (3.25-2.775) /3*1000/=15.83%2、電壓駐波比 駐波比，一般指的就是電壓駐波比，是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。由圖可以看到在3G赫茲附近時，電壓駐波比等于1，說明此處接近行波，傳輸特性比較理想。3、smith圓圖史密斯圓圖是一種計算阻抗、反射系數(shù)等參量的簡便圖解方法。采用雙線性變換， 將z復(fù)平面上。實部r=常數(shù)和虛部x=常數(shù)兩族正交直線變化為正交圓并與:反射系數(shù)|G|=常數(shù)和虛部X=常數(shù)套印而成。 從smith圓圖可以看到，在中心頻率3G赫茲時的歸一化阻抗約為1，說明端口的阻抗特性匹配良好。4、輸入阻抗傳