电磁场HFSS实验报告.docx

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电磁场HFSS实验报告

实验一 T形波导的内场分析

实验目的 

1、 熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步骤及工作流程。

2、 掌握T型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原理。

实验仪器

1、装有windows系统的PC一台

2、HFSS15.0或更高版本软件

3、截图软件

实验原理

本实验所要分析的器件是下图所示的一个带有隔片的T形波导。

其中，波导的端口1是信号输入端口，端口2和端口3是信号输出端口。

正对着端口1一侧的波导壁凹进去一块，相当于在此处放置一个金属隔片。

通过调节隔片的位置可以调节在端口1传输到端口2，从端口1传输到端口3的信号能量大小，以及反射回端口1的信号能量大小。

T形波导

实验步骤

1、新建工程设置：

运行HFSS并新建工程：

打开HFSS软件后，自动创建一个新工程：

Project1，由主菜单选File\Saveas，保存在指定的文件夹内，命名为Ex1_Tee；由主菜单选Project\InsertHFSSDesign，在工程树中选择HFSSModel1，点右键，选择Rename项，将设计命名为TeeModel。

选择求解类型为模式驱动（DrivenModel）：

由主菜单选HFSS\SolutionType，在弹出对话窗选择DrivenModel项。

设置长度单位为in：

由主菜单选3DModeler\Units，在SetModelUnits对话框中选中in项。

。

2、创建T形波导模型：

创建长方形模型：

在Draw菜单中，点击Box选项，在Command页输入尺寸参数以及重命名；在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数Transparent（透明度）将其设为0.8。

Material（材料）保持为Vacuum。

设置波端口源励：

选中长方体平行于yz面、x=2的平面；单击右键，选择AssignExcitation\Waveport项，弹出WavePort界面，输入名称WavePort1；点击积分线（IntegrationLine）下的Newline，则提示绘制端口，在绘图区该面的下边缘中部即（2,0,0）处点左键，确定端口起始点，再选上边缘中部即（2,0,0.4）处，作为端口终点。

复制长方体：

展开绘图历史树的Model\Vacuum\Tee节点，右键点击Tee项，选择Edit\Duplicate\AroundAxis，在弹出对话窗的Axis项选择Z，在Angel项输入90deg，在TotalNumber项输入2，点OK，则复制、添加一个长方体，默认名为TEE_1。

重复以上步骤，在Angel项输入-90，则添加第3个长方体，默认名Tee_2.

合并长方体：

鼠标右键切换到物体选择状态。

选中第1个长方体，按下Ctrl键的同时选中第2、3个长方体，由主菜单选3DModeler\Boolean\Unite，则将三个长方体组合在一起，形成了一个T型接头。

创建隔片：

绘制长方体：

Draw/box命令任意创建一个长方体，确定位置参数：

绘图工程树双击CreateBox1在属性对话窗口的Command页，在Position项输入-0.45in,offset-0.05in,0in，调整长方体尺寸；由T型接头中减去间隔：

在历史树中选择Tee项，按下Ctrl键的同时再选中Septum项。

由主菜单选3DModeler\Boolean\Subtract，在弹出对话窗口中，确定Tee在BlankParts列，Septum在ToolParts列（即将间隔从型接头中去掉），点OK完成。

3、分析求解设置：

在工程树中，找到TeeModel\Analysis节点，点右键，选择AddSolutionSetup，弹出对话窗。

在General标签页的Solution项输入10，默认单位为GHz，在AdaptiveSolutions的MaximumNumberofPasses项设为3，其它不变，点击确定。

添加扫频设置：

在工程树中的Setup1项上点右键，选择AddFrenquencySweep，在弹出对话窗中选择General项，其它具体设置默认不变；在Type栏选择LinearStep，定义频率范围为：

8～10GHz，阶长0.05GHz，点OK完成。

设计检查：

主菜单选HFSS\ValidationCheck，则弹出确认检查窗口，对设计进行确认。

全部完成且没有错误时，点Close结束。

4、运行仿真分析：

由主菜单选HFSS\Analyzeall，对设计的模型进行三维场分析求解。

求解全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。

5、查看仿真分析计算结果：

创建一个S参数的矩形曲线图；创建一个电场视图；创建动态演示场覆盖图

内场分析结果

1、图形化显示S参数计算结果

图形化显示S参数幅度随频率变化的曲线

2、查看表面电场分布

表面场分布图

3、动态演示场分布图

实验总结：

实验二T形波导的优化设计

实验目的 

1、 熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步骤及工作流程。

2、 掌握T型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原理。

实验仪器

1、装有windows系统的PC一台

2、HFSS15.0或更高版本软件

3、截图软件

实验原理

利用参数扫描分析功能。

分析在工作频率为10GHz时，T形波导3个端口的信号能量大小随着隔片位置变量Offset的变化关系。

利用HFSS的优化设计功能，找出隔片的准确位置，使得在10GHz工作频点，T形波导商品3的输出功率是端口2输出功率的两倍。

实验步骤

1、新建一个优化设计工程；

由主菜单选File\Open，打开第二部分所创建的Ex1_Tee.hfss文件。

由主菜单选File\Saveas，保存在自建文件夹内，命名为OptimTee.hfss，删除频率扫描。

2、参数扫描分析设置和仿真分析：

在工程树中选Optimetrics项上点右键，选择Add\Parametrie项添加参数扫描分析项。

定义输出变量：

添加变量扫描定义：

在对话窗的SweepDefinitions标签页，点击Add，在新弹出窗口中已经默认调节变量为offset选择Linearstep项，变量范围设为0～1，阶长为0.1，单位均为in，点击Add，则在窗口右侧加入调节变量及其设置。

点OK。

定义输出变量：

在Calculations标签页（注：

设置页面可以在工程树下Opimetrics/ParametricSetup1打开），点击左下角SetupCalculation，则弹出Add/EditCalculations对话窗。

点击左下角OutputVariables，弹出OutputVariables对话框，定义Power11、Power21、Power31变量.

运行参数扫描分析：

在工程树中的ParametricSetup1项上点击右键，选择Analyze，对参数设置中变量扫描定义的每一个变量进行3D场分析求解。

全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。

创建S参数与Offset变量的关系曲线图：

在工程树的Results项点右键，选择CreateModaldataReport项选择RectangularPlot，点OK完成，则弹出对话窗默认选择Trace选项。

3、优化设计：

添加优化变量：

由主菜单选HFSS\DesignProperties，在弹出对话窗选择Optimization项，在offset栏勾选Include项，点击确定完成。

添加目标函数：

这里的优化目标是端口3的输出功率是端口2的2倍，目标函数为：

Power31-2*Power21=0。

优化设置的对话框下在Goals标签页，点击左下角SetupCalculation选项，弹出Add/EditCalculation对话框，点击左下角Outputvadiables，创建新的一个目标变量，Name栏中为：

Cost，通过InsertintoExpression选项在Expression栏中写入表达式：

Power31-2*Power21。

然后点击Add，最后点击右下方Done。

返回到Add/EditCalculation对话框，点击下方AddCalculation，添加目标变量到SetupOptimization对话框Cost中。

设置优化变量的取值范围：

选择Variables标签页，在Variable列只有offset变量，勾选Override项，在startingValue列输入0.1。

Min中：

0，Max中：

0.3,offset变化范围在0到0.3in之间。

运行优化分析：

在工程树的OptimizationSetup1项上点右键，选择Analyze，进行优化分析。

此过程需要几分钟，可进行下面的实验步骤。

在工程树的OptimizationSetup1项上点右键，选择ViewAnalysisResult，察看优化结果。

实验结果

1、创建功率分配随变量Offset变化的关系图

输出变量随变量Offset变化的关系图

分析：

从上图所示的图可以看出，当变量Offset值逐渐变大时，即隔片位置向端口2移动时，端口2的输出功率逐渐减小，端口3的输出功率逐渐变大；当隔片位置变量Offset超过0.3英寸时，端口1的反射明显增大，端口3的输出功率开始减小。

因此，在后面的优化设计中，可以设置变量Offset优化范围的最大值为0.3英寸。

同时，在Offset=0.1英寸时，端口3的输出功率约为0.65，端口2的输出功率略大于0.3，此处端口3的输出功率约为端口2输出功率的两倍。

因此，在优化设计时，可以设置变量Offset的优化初始值为0.1英寸。

另外，变量Offset优化范围的最小值可以取0英寸。

2、表面电场随变量Offset变化

Offset=0inOffset=0.3in

Offset=0.6inOffset=0.9in

优化设计结果

1、优化结果

在offset=0.093in时，目标函数（Costfunction）：

Power31-2*Power21=0.000003达到预期优化效果。

2、优化后电场分布

实验总结：

实验三半波偶极子天线仿真实验报告

实验目的

1、学会简单搭建天线仿真环境的方法，主要是熟悉日HFSS软件的使用方法

2、了解利用HFSS仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法

3、通过天线的仿真，了解天线的主要性能参数，如驻波比特性、smith圆图特性、方向图特性等

4、通过对半波偶极子天线的仿真，学会对其他类型天线仿真的方法

实验仪器

1、装有windows系统的PC一台

2、HFSS15.0

3、截图软件

实验原理

本次实验设计一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线。

天线沿着Z轴放置，中心位于坐标原点，天线材质使用理想导体，总长度为0.48λ，半径为λ/200。

天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为0.24mm，辐射边界和天线的距离为λ/4。

首先明白一点:

半波偶极子天线就是对称阵子天线。

2、对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。

一臂的导线半径为λ/200。

长度为l=0.48λ。

两臂之间的间隙很小，理论上可以忽略不计，所以振子的总长度L=21。

对称振子的长度与波长相比拟，本身己可以构成实用天线。

3、在计算天线的辐射场时，经过实践证实天线上的电流可以近似认为是按正弦律分布。

取图1的坐标，并忽略振子损耗，则其电流分布可以表示为:

式中，Im为天线上波腹点的电流;k为相移常数、根据正弦分布的特点，对称振子的末端为电流的波节点;电流分布关于振子的中心店对称;超过半波长就会出现反相电流。

4、在分析计算对称振子的辐射场时，可以把对称振子看成是由无数个电流I（z）,长度为dz的电流元件串联而成。

利用线性媒介中电磁场的叠加原理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。

图2对称振子辐射场的计算

如图2所示，电流元I（z）所产生的辐射场为

5、方向函数

实验步骤

1、设计变量（以表格的形式列出来）

设置求解类型为DrivenModel类型，并设置长度单位为毫米。

提前定义对称阵子天线的基本参数并初始化、创建偶极子天线模型，即圆柱形的天线模型。

（模型截图贴在下面）

其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。

设置端口激励（附以截图）

半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面。

4、设置辐射边界条件（截图）

要在HfSS中计算分析天线的辐射场，则必须设置辐射边界条件。

这里创建一个沿Z轴

放置的圆柱模型，材质为空气。

把圆柱体的表面设置为辐射边界条件。

外加激励求解设置分析的半波偶极子天线的中心频率在3GHz，同时添加2.5GHz:

^3.5GHz:

频段内的扫频设置，扫频类型为快速扫频。

5、设计检查和运行仿真计算

6、HFSS天线问题的数据后处理（截图，并做相应的说明）

具体在实验结果中阐释。

实验结果

1、回波损耗S11

回波损耗回波损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射，是天线设计需要关注的参数之一。

图中所示是在2.5GHz^3.5GHz频段内的回波损耗，设计的偶极子天线中心频率约为3GHz,S11<-10dBd的相对带宽BW=（3.25-2.775）/3*1000/=15.83%

2、电压驻波比

驻波比，一般指的就是电压驻波比，是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。

由图可以看到在3G赫兹附近时，电压驻波比等于1，说明此处接近行波，传输特性比较理想。

3、smith圆图史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简便图解方法。

采用双线性变换，将z复平面上。

实部r=常数和虚部x=常数两族正交直线变化为正交圆并与:

反射系数|G|=常数和虚部X=常数套印而成。

从smith圆图可以看到，在中心频率3G赫兹时的归一化阻抗约为1，说明端口的阻抗特性匹配良好。

4、输入阻抗传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。

实质上是个等效阻抗。

只有确定了输入阻抗，才能进行阻抗匹配。

图中所示的输入阻抗分别为实部和虚部，在中心频率3G赫兹时，输入阻抗比较的理想，容易实现匹配。

5、方向图

方向图是方向性函数的图形表示，他可以形象描绘天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系。

辐射特性有辐射强度、场强、相位和极化。

通常讨论在远场半径为常数的大球面上，天线辐射（或接收）的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律，并分别称为功率方向图和场方向图。

天线方向图是在远场区确定的，所以又叫远场方向图。

电场方向图:

由图可以看到，电场方向以Z轴为对称轴，在XOY平面上电场最强，且沿四周均匀辐射。

但沿着Z轴方向电场强度很弱。

磁场方向图:

磁场方向图在XOY平面上接近一个圆，虽然看上去有些误差。

说明磁场在XOY平面上辐射较为均匀。

三维增益方向图:

这张图可以很具体的看出半波偶极子天线沿着Z轴对称辐射的情况。

6、其他参数

利用HFSS软件仿真还可以得到天线在该辐射表面上得最大辐射强度、方向性系数、最

大强度及其所在方向等参数。

图39扫描变量$l得到的方向图

实验总结

通过本次HFSS天线仿真实验，使我更加真实、贴切的了解天线的原理和用途。

生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线，却不知其意义何在。

在这次实验过程中，我不停的操作、翻阅资料、上网查阅文献，对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清楚的认识，对天线的各种参数也有了具体的理解，这些东西对以后的相关学习和研究打下了基础。