采用电磁仿真软件HFSS数值仿真同轴连接器及其电磁场性能.docx

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采用电磁仿真软件HFSS数值仿真同轴连接器及其电磁场性能

课程设计报告

设计题目：

采用电磁仿真软件HFSS数值仿真同轴连接器及其电磁场性能分析

学院：

电子工程学院

专业：

电子信息工程

班级：

0212XX

学号：

0212XXXX

姓名：

XXX

电子邮件：

日期：

2016年01月

成绩：

指导教师：

李X

…………………………装………………………………订………………………………线………………………………………………………………

西安电子科技大学

电子工程学院

课程设计任务书

学生姓名指导教师职称

学生学号0212专业电子信息工程

题目采用电磁仿真软件HFSS数值仿真同轴连接器及其电磁场性能分析

任务与要求

根据《电磁场与电磁波》和《微波技术基础》课程的理论学习，通过学习电磁仿真软件AnsysHFSS，掌握其基本原理和使用方法，并采用HFSS数值仿真——同轴连接器，分析其输入阻抗特性、网络参数特性、同轴线内部场分布和电流分布等传输线参数，以巩固所学习的电磁场传输问题。

要求：

（1）学习AnsysHFSS全波电磁仿真软件；

（2）掌握HFSS的使用方法，并能准确地进行数值仿真计算；

（3）全波仿真同轴连接器，给出全波仿真同轴连接器的网络散射参数随频率的变化特性，同轴连接器中的电磁场分布图以及各端口的场特性。

开始日期2016年01月06日完成日期2016年01月20日

课程设计所在单位电子工程学院

本表格由电子工程学院网络信息中心编辑录入.

采用HFSS数值仿真同轴连接器及其电磁场性能分析

XXX

（西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安710071）

摘要：

本文首先简要介绍了同轴线及同轴连接器的概念，并利用HFSS电磁仿真软件对同轴弯头连接器进行了仿真，给出了同轴连接器的网络散射参数随频率的变化特性，同轴连接器中的电磁场分布图以及各端口的电磁场特性。

通过HFSS仿真软件将抽象的电磁场概念具体化，有助于对微波课程的进一步理解。

关键词：

同轴连接器；HFSS软件；网络散射参数；电磁场分布

一、同轴连接器的基本理论

1.1同轴线的基本概念

同轴线（coaxialline）是由同轴的内、外导体构成的双导体传输线，也称同轴波导，广泛应用于宽频带馈线、宽带元件的设计。

同轴线以TEM模为主要工作方式，但当同轴线的横向尺寸与工作波长可比拟时，同轴线中将出现TE和TM模，即同轴线的高次模。

同轴线中TEM波的场结构如图1所示，其中实线表示电场，虚线表示磁场，传输方向上没有电场、磁场分量。

图1同轴线中TEM波的场结构图

同轴线的尺寸选择原则为：

保证在工作频段内只传输TEM波；使同轴线功率容量最大；损耗尽可能小。

功率容量最大时，若填充的是空气介质，特性阻抗为30Ω；损耗最小时，对应特性阻抗为76.7Ω.传输功率容量最大和衰减最小不能同时满足，为了两者兼顾一般采取折衷尺寸，则对应同轴线的特性阻抗为50Ω。

同轴线主要分为硬同轴线与软同轴线，硬同轴线内外导体之间的介质为空气，内导体用高频介质垫圈等支撑；软同轴线又称为同轴电缆，电缆的内外导体之间填充高频介质，内导体由单根或多根导体组成，外导体由铜线编织而成，外层再包一层软塑料等介质。

1.2同轴连接器的概念及分类

将同轴线连接成系统的接头称为同轴连接器。

每一种同轴接头又分为公头（插头）和母头（插座），它们相互配合将同轴元件连接起来。

对于同轴连接器的要求包括低SWR、高频下没有高阶模工作、在连接-拆开反复操作之后的高重复性以及机械强度。

同轴接头类型众多，不同类型接头大致工作频率如图2所示。

以下对图2中几种同轴接头作简要介绍：

N型：

这种接头发明于1942年并以其发明者、贝尔实验室的P.Neil命名。

推荐的频率上限范围为11-18GHz，具体取决于同轴线的尺寸大小。

这种结实但较大的接头常见于较老的设备中。

BNC：

是一种卡口式连接的射频同轴连接器，其特性阻抗分为50Ω和75Ω两种。

它具有连接（分离）迅速、接触可靠等特点。

广泛应用于计算机行业、无线网络、医疗设备和电子仪器领域。

TNC：

这是BNC接头带螺纹连接的一类。

SMA：

对较小、较轻的街头的需求，导致了20世纪60年代这种接头的发展。

它可以应用频率高至18-25GHz的范围，是当今应用范围最广的微波连接器。

图2同轴接口工作频率表

由于同轴线中有软同轴线，故不再需要如波导一样制作专门的弯波导、扭波导等，软同轴线即可胜任这些功能。

在少数情况下也有使用同轴弯头的情况，如图3所示为一同轴弯头连接器。

后文将以同轴弯头连接器为例，利用HFSS仿真软件对其进行仿真并分析其电磁特性。

图3同轴弯头连接器

二、AnsysHFSS电磁仿真软件简介

HFSS-HighFrequencyStructureSimulator是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,目前已被ANSYS公司收购;是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。

HFSS提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。

HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。

使用HFSS，可以计算：

①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；②端口特征阻抗和传输常数；③S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；④结构的本征模或谐振解。

而且，由AnsoftHFSS和AnsoftDesigner构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。

经过二十多年的发展，HFSS以其无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：

射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统、部件的电磁兼容、电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。

三、采用HFSS仿真微波器件同轴连接器的建模

3.1创建三维立体模型

1.打开HFSS软件后，在工程菜单中插入HFSS设计（HFSSDesign1）；

2.设置解决方案类型（SolutionType）为DrivenModal；

3.将默认材料（DefaultMaterial）设置为“pec”，如图4所示利用DrawCylinder、DrawArc、Sweep等工具创建四个几何体，并使用Unite工具将它们连接成同轴连接器的内导体（Conductor）；

图4同轴连接器的内导体

4.将默认材料（DefaultMaterial）设置为“vacuum”，如图5所示分别创建同轴连接器母头（Female）、公头（Male）及弯头（Bend）；并使用Unite工具将它们连接为一体；

图5同轴连接器的真空腔

5.添加介电常数值为3的新材料“My_Ring”，创建该材料的环（Ring），并利用Subtract工具将与公头重叠部分减去，如图6所示；

图6同轴连接器的环

6.添加介电常数值为2.1的新材料聚四氟乙烯“My_Teflon”，如图7所示在公头和母头分别创建聚四氟乙烯环，并利用Subtract工具将与公头、母头重叠部分减去，完成同轴连接器三维立体模型的创建。

图7同轴连接器

3.2创建激励端口

选择公头、母头的横截面（SelectFaces）,创建激励（AssignExcitation）中选择WavePort，积分路径为由外导体边缘到内导体边缘，如图8所示；最后设置端口阻抗为50Ω.

图8同轴连接器激励端口

四、同轴连接器的网络参数与特性仿真分析

4.1分析设置

1.将求解频率（SolutionFrequency）设置为8.1GHz；

2.设置扫频（Sweep）范围为0.1-8.1GHz，频率间隔为0.1GHz；

3.点击“Validate”、“Analyzeall”进行分析。

4.2网络散射参数

图9同轴连接器S参数幅度曲线

图9给出了同轴连接器的网络散射参数随频率的变化特性，频率变化范围为0.1-8.1GHz。

图中直线代表S12、S21参数，其数值不随频率变化而变化，且其值恒为1；图中曲线代表S11、S22参数，其数值随频率变化而变化。

4.3电磁场分布图

图10同轴连接器剖面的电场分布图

图11同轴连接器剖面的磁场分布图

4.4各端口电磁场特性

图12同轴连接器端口1的电磁场分布

图13同轴连接器端口2的电磁场分布

五、结论与体会

通过上文HFSS仿真结果可以看出，该同轴弯头连接器性能较好。

在仿真设置的0.1-8.1GHz频率范围内正反向传输系数皆为0dB，端口1、2的反射系数也均小于-25dB；电磁场分布图形象地描绘了同轴连接器内电磁场强弱的分布情况及能量传输形式；由端口电磁场分布图可以看出，在端口横截面上电场沿径向方向分布，而磁场沿圆周方向分布，与第一部分中同轴线概念所介绍内容一致，说明同轴线中仅传输TEM波。

通过此次课程设计，我掌握了HFSS仿真软件的基本使用方法，能较准确地进行数值仿真计算；通过对同轴连接器的仿真，得出的分析结果将抽象的电磁场分布模式形象化，这是对《微波技术基础》课程中理论知识的延伸，使我对同轴线的相关知识有了更加深入的理解。

参考文献：

[1]李明洋，刘敏.HFSS电磁仿真设计从入门到精通[M].人民邮电出版社，2013.

[2]DavidM.Pozar.微波工程[M].电子工业出版社，2010.

[3]梁昌洪，谢拥军，官伯然.简明微波[M].高等教育出版社，2006.

[4]王新稳，李延平，李萍.微波技术与天线[M].电子工业出版社，2013.