工程電磁場(chǎng)與波仿真設(shè)計(jì)—磁偶極子天線的近區(qū)場(chǎng)計(jì)算

1、目錄目錄11、課程設(shè)計(jì)的目的與作用11.1、設(shè)計(jì)目的：11.2、設(shè)計(jì)作用：22、設(shè)計(jì)任務(wù)及所用Maxwell軟件環(huán)境介紹22.1、設(shè)計(jì)任務(wù)22.2、Maxwell軟件環(huán)境：33、電磁模型的建立33.1、建模33.1.1、創(chuàng)建線圈43.1.2.創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域sphere163.1.3.創(chuàng)建激勵(lì)電流加載圖73.2.設(shè)置激勵(lì)83.2.1.設(shè)置輻射邊界Radiation Boundary103.2.2.將sphere1的半徑表示為l的函數(shù)103.2.3.設(shè)置表面剖分的近似原則123.2.4.Maximun surface deviation123.25.Maximun normal deviation1

2、33.2.6、Aspect ratio133.2.7、創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域的外表面133.3、設(shè)置計(jì)算參數(shù)133.4、設(shè)置自適應(yīng)計(jì)算參數(shù)143.5、Check & Run143.6、計(jì)算輻射電阻153.6.1、創(chuàng)建平均Poynting矢量的計(jì)算表達(dá)式153.6.2、求邊界上的輻射功率163.6.3、計(jì)算輻射電阻173.7、查看輻射邊界上的Poynting矢量圖184、電磁模型計(jì)算及仿真結(jié)果后處理分析185、設(shè)計(jì)總結(jié)和體會(huì)196、參考文獻(xiàn)201、課程設(shè)計(jì)的目的與作用1.1、設(shè)計(jì)目的： 電磁場(chǎng)與電磁波課程理論抽象、數(shù)學(xué)計(jì)算復(fù)雜，將Maxwell軟件引入教學(xué)中，通過(guò)對(duì)典型電磁產(chǎn)品的仿真設(shè)計(jì)，并模擬電

3、磁場(chǎng)的特性，將理論與實(shí)踐有效結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波的理解和應(yīng)用，提高教學(xué)質(zhì)量。 1.2、設(shè)計(jì)作用： 磁偶極子天線的近區(qū)場(chǎng)計(jì)算。讓我們更好的理解與掌握Maxwell這個(gè)軟件的作用，提高了我們的耐心，同時(shí)能看見(jiàn)電場(chǎng)線仿真出來(lái)的效果，使我們更加清楚電場(chǎng)線的分布。能對(duì)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和分析。了解了我們所做題目的原理步驟。讓我們對(duì)電磁場(chǎng)的學(xué)習(xí)深化，以便以后的學(xué)習(xí)更加容易。熟練使用Ansoft Maxwell 仿真軟件，對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)進(jìn)行分析，了解所做題目的原理。利用Ansoft Maxwell 軟件仿真簡(jiǎn)單的電場(chǎng)以及磁場(chǎng)分布，畫(huà)出電場(chǎng)矢量E線圖、磁感應(yīng)強(qiáng)度B線圖，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析、總結(jié)。將所做步驟

4、詳細(xì)寫出，并配有相應(yīng)圖片說(shuō)明。2、設(shè)計(jì)任務(wù)及所用Maxwell軟件環(huán)境介紹2.1、設(shè)計(jì)任務(wù) 計(jì)算如下圖所示所受磁偶極子線圈的近區(qū)場(chǎng)在邊界上的坡印廷矢量及其輻射電阻。要求理解并掌握輻射邊界的使用。 使用電流環(huán)的內(nèi)徑r=9.5mm，外徑R=10mm,線圈材料為銅（copper）。環(huán)內(nèi)通的電流為I=0.8A。圖表 1任務(wù)設(shè)計(jì)圖2.2、Maxwell軟件環(huán)境：Ansoft Maxwell 軟件特點(diǎn)：Ansoft Maxwell 是低頻電磁場(chǎng)有限元仿真軟件，在工程電磁場(chǎng)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼猓褂妙I(lǐng)域遍及電器、機(jī)械、石油化工

5、、汽車、冶金、水利水電、航空航天、船舶、電子、核工業(yè)、兵器等眾多行業(yè)，為各領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程應(yīng)用做出了巨大的貢獻(xiàn)。3、電磁模型的建立3.1、建模一、建模：Project > Insert Maxwell 3D Design二、保存：File > Save as > mengxianlei 三、選擇求解器類型：Maxwell 3D > Solution Type > Eddy current四、設(shè)置幾何尺寸單位：Modele > Units > Select Units: meter 3.1.1、創(chuàng)建線圈 一、Draw > Torus 二、輸入中

6、心點(diǎn)，線圈內(nèi)徑和線圈的外徑分別為：（0,0,0）、（0.0095,0,0）和（0.001,0,0） 三、設(shè)置材料：Copper 四、重命名：coil圖表 2 設(shè)置線圈材料并重命名圖表 3建立并設(shè)置完成后的線圈圖3.1.2.創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域sphere1 一、Darw > sphere 二、輸入中心點(diǎn)和球形計(jì)算區(qū)域的半徑分別為：（0,0,0，）和（0.006,0,0） 三、設(shè)置材料：Vacuum圖表 4繪制完成的球形區(qū)域3.1.3.創(chuàng)建激勵(lì)電流加載圖 一、Select > coil 二、Modeler > Surface >Section 三、選擇平面：YZ平面 四、分離兩S

7、ection面：Modeler > Boolean > Separate Bodies 五、刪除多余截面，并將剩余截面重命名為：current圖表 5激勵(lì)電流加載面 3.2.設(shè)置激勵(lì) 選中線圈截面：current一、Maxwell 3D > Excitations > Assign > Current二、設(shè)置環(huán)內(nèi)通電流：I=0.8A三、設(shè)置類型:soild 圖表 6設(shè)置環(huán)內(nèi)通電流并設(shè)置類型圖一、 設(shè)置渦流效應(yīng)和位移電流存在區(qū)域：Maxwell 3D > Excitations > Set Eddy Effects圖表 7設(shè)置渦流和位移電流圖 3.2.1

8、.設(shè)置輻射邊界Radiation Boundary 一、輻射邊界在仿真電磁場(chǎng)區(qū)域問(wèn)題時(shí)使用，輻射邊界可完全吸收該邊界所包圍區(qū)域向外輻射時(shí)的電磁波，不會(huì)造成電磁波的反射。 二、輻射邊界只在渦流求解器中使用。 三、輻射邊界必須與位移電流（Displacement current）設(shè)置同時(shí)使用。 四、輻射邊界一般都設(shè)為球形（也可以是其他形狀），輻射邊界到輻射源的距離一般大于電磁波波長(zhǎng)的1/4。 在天線的輻射問(wèn)題中，一般習(xí)慣于將研究目標(biāo)或區(qū)域的尺寸表示為電磁波波長(zhǎng)（l,lambda）的函數(shù)。 3.2.2.將sphere1的半徑表示為l的函數(shù)選中sphere1下的Createsphere一、 修改rad

9、ius：lambda/4+0.01 (m)（1）、添加變量lambda的定義：c0/frequ （c0為真空光速）（2）、添加變量frequ的定義：1.5GHz 二、面選擇：Edit > Select > Faces 三、選sphere1的外表面：Maxwell > Boundaries > Assign > Radiation圖表 8設(shè)置參數(shù)1圖表 9設(shè)置參數(shù)23.2.3.設(shè)置表面剖分的近似原則選中外表面 一、Maxwell > Mesh Operations > Assign > Surface Approximation (1)、Maxwe

10、ll surface devation:ignore (2)、Set maximun normal deviation（angle）:15 deg (3)、Set aspect ratio:10圖表 10設(shè)置表面剖分的近似原則3.2.4.Maximun surface deviation 表面偏差距離：模型的剖分三角平面與真實(shí)表面之間的距離，若模型真實(shí)表面是平面，則表面偏差距離為0。3.25.Maximun normal deviation 模型的剖分三角平面與真實(shí)表面的法向分量之間的夾角。3.2.6、Aspect ratio剖分三角單元的Aspect ratio是指三角單元的外接圓半徑與三角

11、形內(nèi)徑的比值。若該參數(shù)為1，表示三角單元與等邊三角形。對(duì)于平面剖分，Aspect ratio的設(shè)置下限為4，對(duì)于曲面剖分，Aspect ratio的設(shè)置下限為1.2。3.2.7、創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域的外表面 選中sphere1區(qū)域的外表面Modeler > Surface > Create Object From Face3.3、設(shè)置計(jì)算參數(shù)一、設(shè)置計(jì)算參數(shù)：Maxwell 3D > Parameters > Assign > Matrix圖表 11設(shè)置計(jì)算參數(shù)圖3.4、設(shè)置自適應(yīng)計(jì)算參數(shù) 一、設(shè)置自適應(yīng)參數(shù)：Maxwell 3D > Analysis Setup

12、> Add solution Setup 二、最大迭代次數(shù)：5 三、誤差要求：10% 四、頻率設(shè)置：1.5GHz (Solver > Adaptive Frequency)3.5、Check & Run 一、檢查：Maxwell 3D > Validation check 圖表 12進(jìn)行檢查圖二、分析：Maxwell 3D .> Analyze ALL3.6、計(jì)算輻射電阻 3.6.1、創(chuàng)建平均Poynting矢量的計(jì)算表達(dá)式 一、 打開(kāi)計(jì)算器：Maxwell 3D > Fields > Calculator二、引入?yún)?shù)：Quantity > E

13、 ; Quantity > H 三、取H矢量的共軛：Complex > conj 四、叉乘：Cross 五、取實(shí)部：Complex > Real 六、寫入系數(shù)：Number > 0.5 七、點(diǎn)乘：* 八、將公式添加進(jìn)表： （1）、點(diǎn)擊Add (2)、Named expressions > Poynting Done 圖表 13創(chuàng)建Poynting矢量的計(jì)算表達(dá)式 3.6.2、求邊界上的輻射功率 一、 打開(kāi)計(jì)算器：Maxwell > Fields > Calculator二、打開(kāi)Poynting矢量：在Named Eepressions欄中選中Poynt

14、ing三、將Poynting矢量設(shè)置copy到Calculator堆棧中：Copy to stack四、Geometry > Surface > ObjectFromFace1五、保留Poynting的法向分量：Normal六、積分并查看結(jié)果（Eval）圖表 14寫入邊界上的輻射功率圖3.6.3、計(jì)算輻射電阻 3.7、查看輻射邊界上的Poynting矢量圖 選中sphere1的外表面一、 Maxwell 3D > Fields > Fields > Named Expression二、選中Poynting4、電磁模型計(jì)算及仿真結(jié)果后處理分析圖表 15電磁模型的仿真

15、圖表 16電腦運(yùn)行出來(lái)的輻射功率結(jié)果圖 從圖可知輻射功率：Pav=1.19933832043437W由題可知環(huán)路電流：Irms=0.8A由輻射電阻的計(jì)算公式為： 即：輻射電阻5、設(shè)計(jì)總結(jié)和體會(huì) 在這次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們第一天進(jìn)行的是對(duì)麥克斯韋軟件的初步操作和熟悉，我們花了一天的時(shí)間在熟悉Maxwell軟件的操作，初步掌握了它的使用方法。根據(jù)軟件上的介紹和老師給出的練習(xí)題目作了許多關(guān)于電磁場(chǎng)與電磁波的練習(xí)。雖然我們開(kāi)始花了一整天的時(shí)間才做出來(lái)，但在快驗(yàn)收的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)做的出了錯(cuò)，各種調(diào)整修改，即使在老師的幫助下也都不行，于是便下狠心刪了，重做了一個(gè)，但這次花了不到半個(gè)小時(shí)就做完了，而且還做對(duì)了。才發(fā)現(xiàn)自己對(duì)這個(gè)軟件已經(jīng)初步熟悉的掌握了，心里很是欣慰。第二天，當(dāng)我們真正做自己的課程設(shè)計(jì)的時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)操作起來(lái)就更加的得心應(yīng)手了，雖然遇到了軟件上的許多問(wèn)題，例如操作的時(shí)候軟件總是突然退出，不能夠復(fù)制、粘貼和保