論文ANSYS分析電磁流程問題及實(shí)例分析

1、ANSYS分析電磁流程問題及實(shí)例分析專業(yè)：通信工程 姓名：陳開 指導(dǎo)教師：程銀琴 摘 要 本文根據(jù)ANSYS軟件的特性，詳細(xì)分析了電磁流程問題的處理過程，以及與理論和實(shí)際應(yīng)用密切相聯(lián)系，分析電磁流程中不易掌握的問題。通過實(shí)例分析重點(diǎn)討論了應(yīng)用ANSYS 軟件對高頻電磁場分析所涉及的有限元分析和電磁場等方面的基本理論,敘述分析電磁場進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的具體問題和要求,研究了ANSYS在高頻電磁場問題中關(guān)于同軸波導(dǎo)的詳細(xì)分析步驟及為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性所必須注意的事項(xiàng)。在實(shí)例中，主要分析對電場和磁場在頻率或模型角度大小的參數(shù)為變量的情況，電場和磁場隨著變量的變化過程，還有S參數(shù)的變化。借助實(shí)例分析加深

2、對ANSYS的認(rèn)識和對電磁場特性的了解。關(guān)鍵詞 ANSYS，高頻電磁場，S參數(shù)，同軸傳輸線，場分布ABSTRACTThe paper is based on the features of ANSYS software, Analyzed the detailed problem of electromagnetic flow, and closely related to theoreticcal and practical applications and analyzed some difficult issues. The papers example of High-frequenc

3、y electromagnetic fields aims at finite element analysis and electromagnetic field , its about described the specific request and practical meanings of parameter setting. The main study about solve and keep the correct result that coaxial cable of High-frequency electromagnetic fields of ANSYS. In t

4、he case , analyzed mainly about a parameter is changed with frequency and model size of electric and magnetic fields, and a parameters of S. With the help of case, it can make deep comprehension and grasp the features of Electromagnetic field.Key Words：ANSYS, High-frequency electromagnetic field, S-

5、 Parameters36目錄0引言11ANSYS 在高頻電磁場分析中用到的主要單元和電磁宏22 高頻電磁場諧波分析的步驟42.1 建立物理環(huán)境42.1.1設(shè)置GUI菜單過濾，定義分析標(biāo)題52.1.2定義單元類型和實(shí)常數(shù)62.1.3定義單元坐標(biāo)系，說明分析計(jì)算使用的單位制及材料特性72.2 建立模型、定義材料特性、劃分網(wǎng)格、加邊界條件和載荷（激勵(lì)）82.2.1 定義模型各部分的特性92.2.2 劃分網(wǎng)格92.2.3 加載邊界條件和載荷（激勵(lì)）102.3 求解高頻諧波分析122.3.1定義分析類型142.3.2定義分析選項(xiàng)和設(shè)置分辨率142.3.3 備份數(shù)據(jù)庫和求解152.4結(jié)果查看163 同軸

6、導(dǎo)波實(shí)例分析163.1 頻率變化時(shí)的情況173.2角度變化的情況213.3 尺寸變化的情況233.3.1縱向長度的變化233.3.2 半徑長度的變化253.4 磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的變化情況283.5兩個(gè)典型的模型324 結(jié)束語335 參考文獻(xiàn)340引言ANSYS軟件由ANSYS公司研發(fā)的大型通用有限元分析軟件，具有單線性靜態(tài)分析和復(fù)雜非線性動態(tài)分析多種分析能力1, 從70年代誕生到今天,經(jīng)過不斷吸取計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新進(jìn)展,將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合,已經(jīng)能夠成為緊跟計(jì)算機(jī)軟硬件水平發(fā)展的最新型、用戶界面友好、功能豐富、使用高效的有限元軟件系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速提高和電

7、磁場數(shù)值計(jì)算的長足發(fā)展,早期應(yīng)用于電磁機(jī)構(gòu)磁系統(tǒng)研究的二維有限元分析程序已經(jīng)逐漸被三維磁場計(jì)算軟件所代替,克服了用二維計(jì)算等效三維所帶來的誤差,且更加立體直觀。它能與多數(shù)CAD軟件接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換, 如Pro/E、AutoCAD等, 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中高級CAD工具之一。ANSYS軟件集合了結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型分析軟件，其用戶涵蓋了機(jī)械、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、土木建筑、水利、電子和教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域。ANSYS系列是一套可以自由選配集成的功能模塊組成的產(chǎn)品，用戶可根據(jù)需要集成特定的模塊來滿足需求，因其功能強(qiáng)大，操作簡單方便，現(xiàn)已成為國際流行的有限元分析軟件，該

8、軟件于90年代開始在我國的機(jī)械制造、航天航空、汽車交通、鐵道、石油化工、能源等領(lǐng)域得到應(yīng)用,為各領(lǐng)域中產(chǎn)品設(shè)計(jì)、科學(xué)研究作出了重要貢獻(xiàn),在電磁領(lǐng)域ANSYS的使用還明顯弱于力學(xué)、結(jié)構(gòu)等其它學(xué)科2。電磁場在ANSYS中的運(yùn)用方面主要是有關(guān)麥克斯韋電磁場理論基礎(chǔ)的運(yùn)用和延伸,它所涉及的內(nèi)容是電類和電氣信息類的知識結(jié)構(gòu)的必要組成部分, 同時(shí)又是一些交叉領(lǐng)域的學(xué)科生長點(diǎn)和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)3，它對電磁場問題的分析主要包括:電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運(yùn)動效應(yīng)、電路和能量損失等問題的求解。以及螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計(jì)和分析

9、。ANSYS 可用來分析電磁領(lǐng)域多方面的問題,如磁通量密度、電場分布和分布、磁力線、和能量損耗等4?？捎脕碛行У胤治鲋T如電力發(fā)電機(jī)、變壓器、螺線管起動器、磁成像系統(tǒng)、傳感器、回旋加速器、磁懸浮裝置、波導(dǎo)、諧振腔、電解槽等各類設(shè)備的有關(guān)問題。在實(shí)際應(yīng)用中,有限元分析(FEA)法是電磁場仿真最成功的頻域計(jì)算方法之一，它可以計(jì)算任意復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和任意復(fù)雜材料的問題，它處理復(fù)雜材料的能力在當(dāng)前各種電磁仿真方法中尤為突出。在信號波長小于模型的幾何尺寸或與模型的幾何尺寸差不多時(shí)，ANSYS的高頻電磁場分析模塊可以對此時(shí)的電磁現(xiàn)象進(jìn)行仿真，高頻電磁場分析的頻率范圍可以從數(shù)百兆赫茲到數(shù)百GHz5，主要用于分析結(jié)

10、構(gòu)電磁場和電磁波的輻射和傳導(dǎo)過程，包括兩類問題:諧性高頻電磁場分析(time-harmonic)和模態(tài)高頻電磁場分析(modal high-frequency)，其求解的基本方程為赫姆霍茲(Helmholtz)方程，在ANSYS中，所有的公式都命令化，方便用戶直接調(diào)用。1ANSYS 在高頻電磁場分析中用到的主要單元和電磁宏ANSYS提供了3種高頻單元用于高頻電磁場問題的分析求解：HF118、HF119、HF120，詳見表1-1。HF118僅用于模態(tài)分析的2D單元，可用于分析求解高頻傳輸線的傳播特性參數(shù)，包括求解多模式傳播時(shí)的截止頻率和傳播常數(shù)。HF119和HF120是3D單元，用于諧波和模態(tài)分

11、析。表1-1電磁場單元單元維數(shù)形狀和特征自由度HF1182-D四邊形可退化為三角形，8節(jié)點(diǎn)電場諧波形式（ANSYS中自由度為AX）HF1193-D四面體10節(jié)點(diǎn)電場諧波形式（ANSYS中自由度為AX）HF1203-D六面體可退化為四面體，20節(jié)點(diǎn)電場諧波形式（ANSYS中自由度為AX）該電磁場單元不能用于其它的靜電單元、靜態(tài)磁單元、動態(tài)磁單元來進(jìn)行高頻分析，應(yīng)為這些單元沒有考慮高頻情況下電磁耦合產(chǎn)生的位移電流效應(yīng)。電磁宏是ANSYS宏命令的主要功能是幫助用戶方便的建立分析模型、求解以及獲取想要觀察的分析結(jié)果，表1-2列出了ANSYS提供的電磁宏命令和功能。表1-2 電磁宏功能電磁宏功能CURR

12、2D計(jì)算二維導(dǎo)體內(nèi)電流EMAGERR計(jì)算靜電或電磁場中的相對誤差FLUXV計(jì)算閉合通路的通量FMAGBC對一個(gè)單元組件加力邊界條件HFSWEEP在一個(gè)頻率范圍內(nèi)對高頻電磁波導(dǎo)進(jìn)行時(shí)諧響應(yīng)分析，并進(jìn)行相應(yīng)的后處理計(jì)算HMAGSOLV定義2D諧波電磁求解選項(xiàng)并進(jìn)行諧波求解PMGTRAN對瞬態(tài)分析的電磁結(jié)果求和TORQSUM對2D平面問題中單元部件上的Maxwell力矩和虛功力矩求和SPARM計(jì)算同軸導(dǎo)波或TE10模式矩形導(dǎo)波兩個(gè)端口間的反射參數(shù)2 高頻電磁場諧波分析的步驟ANSYS提供了兩種工作模式，即人機(jī)交互（GUI方式）和買命令流方式（BATCH方式）6。無論那種方式，其都有一套固定的分析步驟

13、:（1）建立物理環(huán)境；（2）建立模型、定義材料特性、劃分網(wǎng)格、加載邊界條件和載荷（激勵(lì)）；（3）求解高頻諧波分析；（4）結(jié)果查看。2.1 建立物理環(huán)境在定義一個(gè)分析問題的物理環(huán)境時(shí)，先進(jìn)入ANSYS前處理器，建立這個(gè)物理物體的數(shù)學(xué)仿真模型，可按照以下步驟來建立物理模型：（1）設(shè)置GUI菜單過濾，定義分析把標(biāo)題；（2）定義單元類型和實(shí)常數(shù)；（3）定義單元坐標(biāo)系，說明分析計(jì)算使用的單位制；（4）說明材料特性。2.1.1設(shè)置GUI菜單過濾，定義分析標(biāo)題要通過GUI路徑來運(yùn)行ANSYS，在ANSYS被激活后第一件要做的事就是選擇菜單路徑，GUI：Main Menu>Preference>E

14、lectromagnetic:High Frequency,如圖2-1所示的對話框，選擇High Frequency。圖2-1過濾對話框這樣ANSYS會根據(jù)所選擇的參數(shù)來對GUI圖形界面進(jìn)行過濾，在進(jìn)行后面的操作時(shí)，高頻分析所需要的相關(guān)菜單會被激活而其他無關(guān)的菜單選項(xiàng)不會激活。在進(jìn)行分析前，給所要進(jìn)行的分析定義一個(gè)能夠代表所分析內(nèi)容的標(biāo)題，如圖2-2，實(shí)現(xiàn)如下：命令：/TITLEGUI:Main Menu>File>change Title圖2-2標(biāo)題定義2.1.2定義單元類型和實(shí)常數(shù)對于HF119和HF120單元，可以用以下兩種方式來定義單元類型和關(guān)鍵項(xiàng)選擇。命令：ET，ITYP

15、E，Ename，KEYOPT(1)，KEYOPT(2)，KEYOPT(3)，KEYOPT(4)，KEYOPT(5)GUI：Main Menu >Preference>Element Type>Add/edit/deleteKEYOPT(1)選項(xiàng)用來定義單元多項(xiàng)式的階數(shù)，KEYOPT(1)=0或1是一階單元，KEYOPT(1)=2是二階單元，在定義二階單元時(shí)單元會自動內(nèi)插值增加自由度，以提高求解的精確度。一般不再一個(gè)模型中同時(shí)混合使用不同階數(shù)的單元（一階單元和二階單元都有中間節(jié)點(diǎn)）。KEYOPT(4)選項(xiàng)用來解決一些特殊高頻問題的求解。KEYOPT(4)=0是定義普通單元（默認(rèn)

16、值），KEYOPT(4)=1定義PML單元，KEYOPT(4)=2用來定義特殊的散射單元。在使用等效磁場源（soft source magnetic field）作為激勵(lì)源（BF，H選項(xiàng)）時(shí)，接受反射波的區(qū)域中的單元上要定義此關(guān)鍵選項(xiàng)。2.1.3定義單元坐標(biāo)系，說明分析計(jì)算使用的單位制及材料特性如果材料是分層的疊片材料或是永磁材料的極性是任意的，那么定義單元類型及選項(xiàng)后，還需要說明單元坐標(biāo)系（默認(rèn)為全局笛卡爾坐標(biāo)系），這首先要定義一個(gè)局部坐標(biāo)系（通過原點(diǎn)坐標(biāo)及方向角來定義），方式如下：命令：LOCALGUI：Utility Menu>WorkPlane>Local Coordina

17、te Systems>Create local CS>At Specified Loc局部坐標(biāo)系可以是笛卡爾坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系（圓或橢圓）、球坐標(biāo)系或環(huán)形坐標(biāo)系。一旦定義了一種或多種局部坐標(biāo)系，就需要設(shè)置一個(gè)指針來確定即將要定義的單元的坐標(biāo)系，設(shè)置指針的方式如下：命令：ESYSGUI：Main Menu>preprocessor>Meshing>Mesh Attributes>Default AttribsMain Menu>preprocessor>Modeling>Create>Elements>Elem Attributes

18、ANSYS的高頻電磁場分析中所使用的單位制是MKS（米-安培-秒）制，自由空間磁導(dǎo)率為4×10-7H/m,自由空間介電常數(shù)為8.854×10-12 F/M。在高頻分析中，要求輸入三種材料特性：相對磁導(dǎo)率對角張量（MURX、MXRY和MXRZ）、相對介電常數(shù)對角張量（PERX、PERY和PERZ）和電阻率對角張量（RSVX、RSVY和RSVZ）。對于均勻介質(zhì)，程序默認(rèn)認(rèn)為MXRY和MXRZ等于MURX， PERY和PERZ等于PERX， RSVY和RSVZ等于RSVX。X，Y，Z指用ESYS命令定義的單元坐標(biāo)系中的正交坐標(biāo)系。輸入的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)必須是與自由空間相比的相對值

19、，磁導(dǎo)率是自由空間磁導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率的乘積，介電常數(shù)是自由空間介電常數(shù)和相對介電常數(shù)的乘積。相對磁導(dǎo)率和相對介電常數(shù)的有效值大于或等于1。對均勻有耗介質(zhì)材料，可以通過說明介質(zhì)材料電導(dǎo)率與損耗角正切LSST(tan)的關(guān)系來進(jìn)行定義7。損耗角正切LSST(tan)與介質(zhì)材料導(dǎo)電率的關(guān)系可以表達(dá)為：tan=0r式中， f為頻率（Hz）;為電導(dǎo)率（s/m）；0為自由空間介電常數(shù)（F/m）；r為相對介電常數(shù)。2.2 建立模型、定義材料特性、劃分網(wǎng)格、加邊界條件和載荷（激勵(lì)）創(chuàng)建好物理環(huán)境，就可以建立模型，建立好的模型只代表了物體的幾何特征，必須通過單元屬性的分配來賦予其他意義。在各個(gè)區(qū)域內(nèi)指定特性（包

20、括單元類型、選項(xiàng)、單元坐標(biāo)系、實(shí)常數(shù)和材料性質(zhì)等）以后，就可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加邊界條件和激勵(lì)，利用ANSYS前處理器（PREP7）建立幾何模型，定義材料特性和劃分網(wǎng)格。2.2.1 定義模型各部分的特性在進(jìn)行網(wǎng)格劃分以前，要對模型的各個(gè)部分定義單元類型和材料號。用3-D的HF119和HF120劃分的模型區(qū)域，可以用VATT命令單元來完成材料定義。用不同的材料號區(qū)別不同的材料區(qū)域。表2-1給出了處理材料區(qū)域的一般原則。表2-1材料特性材料原則空氣定義相對磁導(dǎo)率和介電常數(shù)為1無耗介質(zhì)定義相對磁導(dǎo)率和介電常數(shù)，既可以是各向同性，也可以是各向異性（即預(yù)先定義的單元坐標(biāo)系中的對角線張量）已知電導(dǎo)率的有耗介

21、質(zhì)定義相對磁導(dǎo)率、相對介電常數(shù)和電阻（1/電導(dǎo)率），既可以是各向同性，也可以是各向異性（即預(yù)先定義的單元坐標(biāo)系中的對角線張量）已知損耗角正切的有耗介質(zhì)定義相對磁導(dǎo)率、相對介電常數(shù)和損耗角正切。若同時(shí)定義了電阻和損耗角上正切，則程序只使用損耗角正切2.2.2 劃分網(wǎng)格ANSYS提供的提供的兩種方法：自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格。所謂自由網(wǎng)格，就是在沒有特定的準(zhǔn)則，對于單元的形狀無限制，生成的單元不規(guī)則，使用于所有的模型。映射網(wǎng)格則要求滿足一定的規(guī)則，且映射面網(wǎng)格只包含有三角形或四邊形單元，而映射體網(wǎng)格只包含六面體單元，生成的單元形狀比較規(guī)則，因此適用于形狀規(guī)則的體或面，如果要將四邊形以上的多邊形作映射劃分

22、，則可以將多邊形的部分線連接起來以使邊數(shù)降為三或四來滿足映射劃分的要求。由于自由網(wǎng)格生成的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的位置比較隨意，用戶無法控制，如要控制內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位置，就應(yīng)該考慮使用映射網(wǎng)格，本文的實(shí)例就采用了映射網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的精度直接決定了有限元計(jì)算的好壞，一般來說，網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算結(jié)果就越精確，但其耗費(fèi)的計(jì)算機(jī)資源也越多。用ANSYS 前處理器（PREP7）來劃分實(shí)體模型，網(wǎng)格劃分必須達(dá)到一定的精度，以使離散的有限網(wǎng)格模擬連續(xù)材料分布時(shí)帶來的誤差足夠小。通常，一個(gè)波長的長度最少需要10個(gè)單元來模擬。為獲得更準(zhǔn)確的S 參數(shù)計(jì)算結(jié)果，相對應(yīng)的波導(dǎo)口要盡可能地在波的傳播方向上按照相對應(yīng)的1:1的比例進(jìn)行網(wǎng)格劃

23、分。2.2.3 加載邊界條件和載荷（激勵(lì)）ANSYS程序可以對實(shí)體模型，也可以對有限元模型施加邊界條件與載荷，前者的好處在于使得施加的邊界條件和載荷獨(dú)立于有限元模型，在進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化后無需重新加載。實(shí)體模型的載荷是施加在實(shí)體模型所對應(yīng)的面對象或相關(guān)的關(guān)鍵點(diǎn)、線的載荷，加載的時(shí)候不依賴于有限元網(wǎng)格，這樣就可以不改變載荷的情況下改變有限元網(wǎng)格劃分，但劃分網(wǎng)格命令產(chǎn)生的單元處在當(dāng)前激活的坐標(biāo)系中，而節(jié)點(diǎn)位于局部坐標(biāo)系中因而和有限元模型有著不同的坐標(biāo)系和載荷方向。有限元實(shí)體模型載荷能直接施加到主節(jié)點(diǎn)或單元上，可以簡單的選擇所需的節(jié)點(diǎn)，并指定適當(dāng)?shù)募s定，可是任何有限元網(wǎng)格的修改都將使以前施加的載荷無效，造

24、成必須在新網(wǎng)格上重新施加載荷，也由于劃分時(shí)生成數(shù)量較多的節(jié)點(diǎn)和單元，此時(shí)通過GUI的拾取操作來完成載荷加載，工作量較大。根據(jù)實(shí)際情況，本文選擇有限元實(shí)體模型施加邊界條件和載荷。（1）加載邊界條件表2-2給出了進(jìn)行高頻電磁場分析的有效邊界條件和載荷，可以在實(shí)體模型或有限元模型上施加相應(yīng)的邊界條件。表2-2 高頻電磁場分析常用邊界條件邊界條件實(shí)體模型有限元模型完全導(dǎo)電體（PEC）線或面節(jié)點(diǎn)完全導(dǎo)磁體注（PMC）不必要施加不必要施加阻抗邊界條件（IBC）面節(jié)點(diǎn)完全匹配層（PML）不能施加單元等效源表面標(biāo)志不能施加節(jié)點(diǎn)或單元（2） 施加激勵(lì)表2-3高頻激勵(lì)源給出了高頻分析中用到的各種激勵(lì)源?？梢栽趯?shí)體

25、和有限元模型上施加這些激勵(lì)條件。注：完全導(dǎo)磁體（PMC）邊界條件作為自然邊界條件會在有限元分析進(jìn)行泛函分析時(shí)已經(jīng)自然地得到滿足。表2-3 高頻激勵(lì)源激勵(lì)條件實(shí)體模型有限元模型波導(dǎo)模式面節(jié)點(diǎn)體電流密度體節(jié)點(diǎn)或單元面電流密度面節(jié)點(diǎn)或單元線電流密度線節(jié)點(diǎn)電流密度關(guān)鍵點(diǎn)節(jié)點(diǎn)平面波不必加不必加表面磁場面節(jié)點(diǎn)電場線或面節(jié)點(diǎn)2.3 求解高頻諧波分析在建立有限元模型并完成邊界條件和載荷施加后，下一步要做的就是用ANSYS對有限元模型進(jìn)行求解，求解是ANSYS通過有限元方法建立方程并計(jì)算聯(lián)立方程的結(jié)果，ANSYS中常見的方法有：波前求解器、稀疏矩陣求解器、雅可比共軛梯度求解器等，這些算法的特點(diǎn)見表2-4。表2-

26、4 ANSYS求解器以及對應(yīng)算法求解器方法適用問題模型規(guī)范內(nèi)存要求硬盤要求FRONT:波前求解器直接消除法要求穩(wěn)定性高（如非線性求解）或內(nèi)存受限制時(shí)低于50000自由度低高SPARSE稀疏矩陣求解器直接消去法要求穩(wěn)定性高和求解速度快時(shí)；對于線性問題迭代法很慢時(shí)10000到5e50個(gè)自由度中高ICCG不完全喬列斯基共軛梯度求解器迭代法對單一物理場問題中求解速度要求高時(shí)；只適用于靜力、完全法諧響應(yīng)與瞬態(tài)求解自由度50000-1000000以上中高用戶應(yīng)結(jié)合計(jì)算機(jī)的配置及模型規(guī)格來合理選擇求解方法以提高效率。選擇求解方法為:Main Menu>Solution>Analysis Type

27、>Soln Controls,彈出的求解設(shè)置對話框如圖2-3所示。圖2-3 求解設(shè)置選擇好求解器以后，輸入ANSYS命令或進(jìn)行GUI操作進(jìn)行求解前的處理。2.3.1定義分析類型在ANSYS中使用下面兩種方式定義分析類型：命令：ANTYPE,HARMICGUL: Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis>Harmonic 對于諧波分析不能使用重啟動，如需要進(jìn)行不同加載的分析，需要作另外一次分析。2.3.2定義分析選項(xiàng)和設(shè)置分辨率對于全波諧波分析，可以選用波前求解器（默認(rèn)值）、稀疏矩陣直接求解器（SPARSE）或不完全

28、喬列斯基共軛梯度求解器（ICCG）。命令：EQSLVGUL: Main Menu>Solution>Analysis Type> Analysis Options。 對于相對較?。ㄐ∮诘扔?0000個(gè)的自由度）的問題，推薦選用波前求解器。對于相對較大的問題，稀疏矩陣求解器較好，也可以用ICCG求解器。但如果ICCG不收斂，那么還得用波前求解器或稀疏矩陣求解器。用下面方式設(shè)置頻率（單位為Hz）命令：HARFRQGUL: Main Menu>Preprocessor>Loads>Load Step Opts>Time/Frequency >Freq

29、and Substps。如果通過設(shè)置HARFREQ的頻率范圍來進(jìn)行頻段掃描的話，那么每一個(gè)加載步的數(shù)據(jù)都會存儲，只能手動地處理每個(gè)頻率的結(jié)果。2.3.3 備份數(shù)據(jù)庫和求解為了避免在計(jì)算過程中出錯(cuò)而造成無法估計(jì)的錯(cuò)誤，需要使用工具條中的SAVE DB按鈕來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的備份，以方便快捷的恢復(fù)出所需要的模型數(shù)據(jù)，恢復(fù)模型時(shí)重新進(jìn)入ANSYS并使用一下命令來恢復(fù)。命令：RESUMEGUI: Utility Menu>File>Resume Jobname . db求解命令如下：命令:SOLVEGUI: Main Menu>Solution>Solve>Current LS

30、。在一個(gè)頻段內(nèi)進(jìn)行分析求解時(shí)，可以調(diào)用HFSWEEP宏或直接用HARFRQ命令定義頻率范圍來完成。HFSWEEP自動分析求解并自動執(zhí)行其他ANSYS宏命令（如SPARM、IMPD、REFLCOEF等），這些宏自動計(jì)算S參數(shù)和其他系數(shù)。如果用HARFRQ命令定義頻段范圍以進(jìn)行頻率掃描分析時(shí)，需要存儲每個(gè)載荷步的數(shù)據(jù)并在后處理中手工處理每個(gè)結(jié)果以獲取S參數(shù)和其他系數(shù)數(shù)據(jù)。在采用HFSWEEP時(shí)對于同軸導(dǎo)波，可以選擇計(jì)算多端口S參數(shù)或反射系數(shù)、電壓駐波比、同波損耗和從激勵(lì)端口到某一位置的輸入阻抗。對于矩形導(dǎo)波，可計(jì)算多達(dá)4個(gè)端口的S參數(shù)。ANSYS程序計(jì)算出這些數(shù)據(jù)后，存儲在數(shù)組參數(shù)HFDATA內(nèi)。

31、程序可以用表格方式交互地顯示結(jié)果和通過輸出文件HFSWEEP.OUT輸出，數(shù)據(jù)也同時(shí)存儲在圖形文件HFSWEEP.GPRH中。執(zhí)行HFSWEEP宏的命令為：命令：HFSWEEPGUI：Main Menu>Solution>Solve>Electromagnet>HF Emag>Freq Sweep在完成求解后退出求解器：命令：FINISH GUI: Main Menu>Finish2.4結(jié)果查看結(jié)果查看也叫后處理，ANSYS電磁場的結(jié)果數(shù)據(jù)存儲在Jobname.RMG文件中，計(jì)算的結(jié)果包括：主數(shù)據(jù)：節(jié)點(diǎn)自由度AX導(dǎo)出數(shù)據(jù)：節(jié)點(diǎn)電場(HX，HY，HZ，ESUM

32、)、節(jié)點(diǎn)磁場強(qiáng)度（HX，HY，HZ，HSUM）、單位體積生成的焦耳熱（JHEAT）、單元坡印亭矢量（X，PY，PZ）。3 同軸導(dǎo)波實(shí)例分析在進(jìn)行射頻、微波等高頻電路設(shè)計(jì)時(shí)，更多地時(shí)候采用微波網(wǎng)絡(luò)法來分析電路，對于微波網(wǎng)絡(luò)而言，最重要的參數(shù)就是S參數(shù)，本例主要計(jì)算同軸波導(dǎo)匹配端口的S參數(shù)、電場和磁場的強(qiáng)度分布。假設(shè)分析模型的內(nèi)外導(dǎo)體均為良導(dǎo)體，電場就主要分布在內(nèi)外的導(dǎo)體間，邊界條件可看做內(nèi)外導(dǎo)體上的電磁切向分量為零介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率、介電常數(shù)8，導(dǎo)體的直徑、波導(dǎo)長度、激勵(lì)諧性電壓值等主要如表3-1所示：表3-1 參數(shù)說明材料特性幾何特性載荷r=1.0r=1.0r1=0.025mr0=0.100mI

33、=0.375m端電壓=1.0f=iGHz（i=1,2,3）=j度(j=5,15,20)對實(shí)例的分析主要經(jīng)過的步驟如下：（1）建立物理環(huán)境；（2）建立模型、定義材料特性、劃分網(wǎng)格、加載邊界條件和載荷（激勵(lì)）；（3）求解高頻諧波分析；（4）結(jié)果查看。3.1 頻率變化時(shí)的情況根據(jù)同軸線的對稱性，可以截取同軸線的一部分作為分析。例中建立模型為15o的模型，頻率分別使用1,2,3GHz來分析不同頻率所引起的各種參數(shù)的變化情況。首先分析對電場和磁場產(chǎn)生的影響，圖3-1和圖3-2為頻率等于1GHz時(shí)的模型。圖3-1磁場模型圖3-2電場模型為了便于觀察，在分析中增加幾個(gè)頻率，使得觀察結(jié)果更加精確和直觀，如表3

34、-2所示。表3-2電場和磁場數(shù)據(jù)分析結(jié)果值頻率(GHz)1.01.52.02.53.03.5電場EF（V/m）27.93327.95127.97227.93327.84827.859磁場H（A/m）0.0750850.0762090.0777010.0794610.00814070.083443由表3-2電場和磁場的分析結(jié)果值可以看出，在分析中只有頻率在逐漸增加其他條件不變化的時(shí)候，其電場值出現(xiàn)峰值,在兩邊的位置,由于散射和反射效應(yīng)產(chǎn)生了峰值，激勵(lì)源頻率越高時(shí),峰值就越集中,激勵(lì)源頻率低的時(shí)候，由于波長變長,模型邊界散射效應(yīng)變?nèi)?透射效果增強(qiáng),因而在模型出現(xiàn)峰值更加明顯，峰值相對就不集中9。電

35、場強(qiáng)度的峰值只在27.916的附近上下波動，波動幅度的偏差不超過0.068，也就是說電場強(qiáng)度的峰值是穩(wěn)定的，所引起的誤差可以忽略不計(jì)。從表中看到，在頻率增加時(shí)，磁場強(qiáng)度時(shí)隨著頻率而增加的，磁場強(qiáng)度峰值隨著頻率的增加而越來越集中，和電場的峰值一樣，都表現(xiàn)的越來越不明顯。在分析S參數(shù)的時(shí)候，角度為15o的模型，頻率范圍為13GHz，數(shù)據(jù)如表3-2所示。表3-3 S參數(shù)數(shù)據(jù)頻率1.0 GHz1.5 GHz2.0 GHz2.5 GHz3.0 GHzS11反射系數(shù)1.615666752E-03 ( -55.8329642 dB )1.245935371E-03 ( -58.0900897 dB )2.4

36、99267354E-04 ( -72.0437457 dB )2.139078334E-03 ( -53.3954662 dB )4.682639037E-03 ( -46.5901864 dB )S21傳輸系數(shù)1.00515045 ( 4.462140433E-02 dB )1.01295998 ( 0.111845712 dB )1.02317021 ( 0.198957735 dB )1.03401737 ( 0.290556664 dB )1.04500612 ( 0.382376696 dB )表中S11代表端口2匹配時(shí)，端口1的反射系數(shù)；S21代表端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的正向

37、傳輸系數(shù)10。從表3-2 S參數(shù)數(shù)據(jù)中我們可以發(fā)現(xiàn)，回波損耗S11的數(shù)值在頻率逐漸增加時(shí)呈現(xiàn)出無規(guī)律的情況，但總趨勢是增加的，其每一個(gè)值都小于0.1，即-20db，其數(shù)值越小，說明只有少量的能量被反射回了源端，這也說明了該模型所具有的優(yōu)越性。插入損耗S21的數(shù)據(jù)說明了共有多少能量被傳輸?shù)侥康亩?，該組數(shù)據(jù)的值都大于0.7，即-3db而且非常接近理想值1，它的值在隨著頻率的增大而增大，說明了實(shí)際的傳輸線存在著的損耗，在到達(dá)目的地之前，經(jīng)過長距離的傳輸S21的值就會變得很小，意味著能量消耗在了路上，這是我們不希望發(fā)生的但又是不可避免的，因此，對于傳輸線的維護(hù)就顯得十分重要。 3.2角度變化的情況設(shè)定

38、頻率為1GHz，角度分別為5o、10o、15o、20o，圖3-3(a)(b)為角度為10o的模型，圖3-4為角度為20o的模型，其他角度的模型與下圖相似，只是角度大小不一致，其圖略。(a) 角度為10o的磁場 (b) 角度為10o的電場圖3-3 角度為10o場分布變化 (c) 角度為20o的磁場 (d) 角度為20o的電場圖3-4 角度為20o場分布變化經(jīng)過對各角度模型的模擬，磁場和電場的最大值如表3-4所給的數(shù)據(jù)顯示。表3-4磁場和電場最大值角度5o10o15o20o磁場H（A/m）0.0771370.0764130.0750850.074282電場EF（V/m）28.69727.93327

39、.93327.635從表中可以看出電場和磁場的分析結(jié)果值，在分析中頻率保持1GHz不變的同時(shí)保持模型的角度以5度保持增長，結(jié)合電場和磁場強(qiáng)度的模型圖看出，電場強(qiáng)度的最大值在值為27.799的地方上下波動，可以看出模型角度的大小不改變電場強(qiáng)度的分布。隨著模型角度的增大，磁場強(qiáng)度在小范圍逐步的減小，當(dāng)角度為360o時(shí)減小到最小值，即同軸線的磁場強(qiáng)度。在分析S參數(shù)的時(shí)，將頻率設(shè)定為1GHz，角度分別取5o、10o、15o、20o的數(shù)據(jù)，如表3-5所示。表3-5 S參數(shù)數(shù)據(jù)頻率5o10o15o20oS11反射系數(shù)1.371586151E-03 ( -57.2555382 dB )1.45634709E

40、-03 ( -56.7347022 dB1.615666752E-03 ( -55.8329642 dB )1.619366663E-03 ( -55.8130961 dB )S21傳輸系數(shù)1.00527331 ( 4.568303024E-02 dB ) 1.00523064 ( 4.531439243E-02 dB )1.00515045 ( 4.462140433E-02 dB )1.00514858 ( 4.460530963E-02 dB )從表3-5 S參數(shù)數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)，回波損耗S11的數(shù)值在角度增加的時(shí)，S11的值呈現(xiàn)出逐漸增長的情況，但每一個(gè)值都小于0.1，其數(shù)值越來越小，說

41、明更少的能量被反射回了源端，這也說明了隨著角度的增加傳輸性能變得更好。插入損耗S21的數(shù)值在緩慢的減小，該組數(shù)據(jù)的值都大于0.7而且非常接近理想值1，它的值在隨著角度的增大而減小，說明了實(shí)際的傳輸線隨角度的增加能量的損耗就越小，在到達(dá)目的地之前，經(jīng)過長距離的傳輸S21的值減小速度慢，增加角度有利于提高線路的抵抗力。3.3 尺寸變化的情況在尺寸的變化里，重點(diǎn)討論了幾何模型尺寸的縱向長度和半徑大小的變化。3.3.1縱向長度的變化在縱向長度的變化里，設(shè)定頻率為1GHz，角度為180度，內(nèi)半徑為0.025m外半徑為0.075m，討論縱向長度發(fā)生變化的情況，圖3-5(a)(b)分別是縱向長度為1.000

42、m和0.300m的電場強(qiáng)度。圖3-5(c)(d)分別是縱向的磁場強(qiáng)度。(a) 縱向?yàn)?.000m的電場強(qiáng)度 (b) 縱向?yàn)?.300m的電場強(qiáng)度(c) 縱向?yàn)?.000m的磁場強(qiáng)度 (d) 縱向?yàn)?.300m的磁場強(qiáng)度圖3-5 場分布隨縱向長度的變化在分析中，磁場和電場強(qiáng)度隨著各個(gè)縱向長度的變化如表3-6所列。由圖3-5場分布隨縱向長度的變化圖和表的數(shù)據(jù)可以看出，在縱表3-6磁場和電場強(qiáng)度長度(m)0.2000.3000.5001.000電場強(qiáng)度36.13436.09236.09636.033磁場強(qiáng)度0.0961830.0966650.0981890.104361向長度不斷的增加的時(shí)候，電場強(qiáng)

43、度的最大值不穩(wěn)定，最大值能達(dá)到36.134和36.033，波動范圍隨著長度的增長出現(xiàn)的波動呈現(xiàn)出減小的趨勢。對于磁場方面，磁場強(qiáng)度的最大值則在逐漸的增大，長度越長，磁場強(qiáng)度的最大值在緩慢的增長。模型的縱向長度增加時(shí)，S參數(shù)的值如表3-7所示。S11的值比0.1小的很多，同時(shí)S11的值表現(xiàn)出增長的趨勢，表明能量有很少一部分被反射回源端，而且隨著縱向長度的增加而增加的，但實(shí)際希望能量能夠最大的傳輸?shù)侥康亩?。S21的值接近理想值1，在傳輸中插入的損耗隨著唱的的增加而增加，這也不是實(shí)際所希望的。表3-7 S參數(shù)隨半徑的變化長度0.2000.3000.5001.000S112.819670559E-04

44、(-70.9960326dB)1.287691721E-03(-57.8037619dB)1.275853174E-03(-57.883986dB)3.286297075E-03(-49.6658636dB)S211.00170201 (1.477094622E-02dB)1.00366361 (3.176352927E-02dB )1.01157114 (9.992857162E-02dB)1.04199351(0.357300305dB)3.3.2 半徑長度的變化半徑的變化中，設(shè)定頻率為1GHz，角度為10度而半徑的長度發(fā)生變化的情況，半徑的長度分為兩部分，第一部分為0.005m到0.02

45、5m，屬于內(nèi)半徑的變化，圖3-6(a)(b)(c)(d)為內(nèi)半徑r1=0.015m,r0=0.025m和r1=0.005m,r0=0.025m的電場和磁場的強(qiáng)度模型圖。(a) r1=0.005m的電場強(qiáng)度 (b) r0=0.005m的電場強(qiáng)度(c) r1=0.015m的磁場強(qiáng)度 (d) r0=0.015m的磁場強(qiáng)度圖3-6 場分布隨內(nèi)半徑的變化第二部分內(nèi)半徑固定，外半徑由0.025m到0.040m，圖3-7(a)(b)(c)(d)是外半徑為r1=0.025,r0=0.030和r1=0.025,r0=0.040時(shí)的電場和磁場強(qiáng)度模型圖。內(nèi)外半徑變化時(shí)，電場和磁場強(qiáng)度的變化如表3-8和表3-9所示

46、。表3-8 內(nèi)半徑變化長度r1=0.005,r0=0.025r1=0.010,r0=0.025r1=0.015,r0=0.025電場121.878107.444128.409磁場0.3398510.3084180.368598(a) r0=0.030的電場強(qiáng)度 (b) r0=0.030的磁場強(qiáng)度(c) r0=0.040的電場強(qiáng)度 (d) r0=0.040的磁場強(qiáng)度圖3-7 外半徑變化的場分布表3-9 外半徑變化長度r1=0.025,r0=0.030r1=0.025,r0=0.035r1=0.025,r0=0.040電場218.532117.49883.932磁場0.627950.3536140

47、.240926從表3-8和表3-9的數(shù)據(jù)看出，在內(nèi)半徑增大外半徑不變化時(shí)，電場和磁場強(qiáng)度的最大值的波動弧度不穩(wěn)定，為無序狀態(tài)。外半徑增大內(nèi)半徑不變，電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的最大值是減小的，而且減小的跨度不統(tǒng)一，隨著外半徑的增加電場和磁場強(qiáng)度的最大值將隨著減小。半徑變化時(shí)所引起S參數(shù)的變化如表3-10所示。S11的值都比0.1小得多，在隨著半徑的增大變得越來越小，被反射回源端的能量就越少，表3-10 S參數(shù)隨半徑的變化rir1=0.005r0=0.025r1=0.010r0=0.025r1=0.015r0=0.025r1=0.025r0=0.030r1=0.025r0=0.035r1=0.025r0

48、=0.040S112.930435064E-03 2.826307029E-032.807004973E-032.783899316E-032.787659061E-032.800041088E-03S211.03764141 1.037703231.037714761.037728611.037726351.03771893這有利于提高傳輸效率。S21的值則逐漸的增大，說明隨半徑的增大所帶來的插入損耗就越大，不利于傳輸?shù)奶岣摺?.4 磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的變化情況在分析磁導(dǎo)率變化時(shí)，設(shè)定內(nèi)外半徑分別為0.015和0.025,縱向長度為0.300，角度為180o，設(shè)定電介常數(shù)為1.0，磁導(dǎo)率變化時(shí)

49、的場分布如圖3-8所示,圖(a)和(b)的磁導(dǎo)率為2.0，圖(c)和(d)的磁導(dǎo)率為4.0。電場強(qiáng)度隨著磁導(dǎo)率的增加有著減小的趨勢，但這種趨勢的不穩(wěn)定表現(xiàn)在在r為4.0的時(shí)候的電場強(qiáng)度的變大，在r為更大值的時(shí)候又會變小，比如r為1.0時(shí)減小為128.539。磁場強(qiáng)度則隨著r的增加逐漸減小。磁導(dǎo)率的變化引起的電場和磁場強(qiáng)度如表3-11所示。(a) r =2.0的磁場強(qiáng)度 (b) r =4.0的磁場強(qiáng)度(c) r =2.0的磁場強(qiáng)度 (d) r =2.0的磁場強(qiáng)度圖3-8 場分布隨r的變化表3-11 場強(qiáng)度磁導(dǎo)率變化磁導(dǎo)率r1.02.03.04.0電場強(qiáng)度128.804128.758128.619

50、128.804磁場強(qiáng)度0.3442150.2453010.2018190.176091在對S參數(shù)的分析里，表3-12所列數(shù)據(jù)為S參數(shù)的變化隨著磁導(dǎo)率而變化。在表中，磁導(dǎo)率增加的同時(shí)S11的值不穩(wěn)定，它的值都接近0.1，表明被傳輸回里源端的能量也不穩(wěn)定，S21在隨磁導(dǎo)率增加而增大，說明了增大磁導(dǎo)率所引起的插入損耗大，因此在實(shí)際中要考慮磁導(dǎo)率對S21的影響。表3-12 S參數(shù)隨磁導(dǎo)率的變化r1.02.03.04.0S112.773499174E-057.202713929E-04 1.477274462E-032.93546652E-05S211.003713861.007484081.01077

51、9121.0152471在分析介電常數(shù)的變化情況時(shí)，設(shè)定磁導(dǎo)率為1.0，其他值和磁導(dǎo)率的參數(shù)一樣而介電常數(shù)變化的情況，對介電常數(shù)=1.0，2.0，3.0，4.0分別進(jìn)行分析。圖3-9(a)、(b)、(c)、(d)為取2.0和4.0的場分布。(a) =2.0 的電場強(qiáng)度 (b) =2.0 的磁場強(qiáng)度(c) =4.0 的電場強(qiáng)度 (d) =4.0 的磁場強(qiáng)度圖3-9 場分布隨介電常數(shù)的變化將變化時(shí)所引起電場和磁場強(qiáng)度的變化的數(shù)據(jù)列進(jìn)表格，如表3-13所示，S參數(shù)如表3-14所示。表3-13 變化時(shí)的場強(qiáng)度介電常數(shù)1.02.03.04.0電場強(qiáng)度128.804128.758128.619128.804磁場強(qiáng)度0.3442150.4906010.6054530.704365從表格里可以看出，介電常數(shù)變化時(shí)對電場強(qiáng)度的影響和對磁導(dǎo)率變化的影響是一樣的。對磁場強(qiáng)度的影響，當(dāng)增加時(shí)磁場強(qiáng)度在逐漸的增加，因此在實(shí)際中對磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的設(shè)定要重視。S參數(shù)的變化和磁導(dǎo)率變化的S參數(shù)是一樣的。3-14 S參數(shù)隨介電常數(shù)的變化1.02.03.04.0S112.773499174E-057.202713929E-04