电磁场HFSS实验资料报告材料

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1、实验一 T形波导的场分析实验目的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

2、、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：Projectl,由主菜单选FileSave as ,保存在指定的文件夹， 命名为Exl_Tee；由主菜单选Project Insert HFSS Design，在工程树 中选择 HFSSModell，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(Driven Model):由主菜单选 HFSSSolution Type ，在弹出对话窗选择 Driven Model 项。设置长度单位为in：由主菜单选3D ModelerUnits，在Set Model Units 对

3、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 Assign ExcitationWave port 项，弹出 Wave Port 界面， 输入名称 WavePortl；点击积分线(Integration Line)下的 New line ， 则提示绘制

4、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 ModelVacuumTee节点，右键 点击Tee项，选择EditDuplicateAround Axis,在弹出对话窗的Axis 项选择Z,在Angel项输入90deg,在Total Number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、

5、 3 个长方体, 由主菜单选 3D ModelerBooleanUnite，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 3D ModelerBooleanSubtract，在弹出对话窗口中，确定T

6、ee在Blank Parts 列，Septum在Tool Parts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 TeeModelAnalysis 节点，点右键 ，选择 Add Solution Setup ，弹出对话窗。在 General 标签页的 Solution 项输入 10，默认单位为 GHz，在 Adaptive Solutions 的 Maximum Number of Passes 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 AddFrenquency Sweep，在弹出对话窗中选择General项

7、，其它具体设置 默认不变；在Type栏选择Linear Step，定义频率围为：810GHz, 阶长0.05GHz，点OK完成。设计检查：主菜单选HFSSValidation Check,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HFSSAnalyze all，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 场分析结果0.750.630.500.380.25TeeMdSO FTCurve In foma

8、g(S(FOrt1 FKrt3)Setupl : Sw eeplX Plotmag(S(Rrt1,Port1)Setup1 : Sweep1mag(S(Fbrt1,Fbrt2)Setup1 : Sweep110.138.008.258.508.759.009.259.50Freq GHz图形化显示S参数幅度随频率变化的曲线9.7510.001、图形化显示S参数计算结果2、查看表面电场分布表面场分布图3、动态演示场分布图oI 3.2D39e-*B3I 3.D5L94-H3B3 I 2.39H0r*fl032 B160lA旳 酣站沖丘屈岡.lBMe：iS0ri I 北西巴钳阳 I 1.7UMQc-

9、B3 !1宾閃E翊阴l.D9Ene-H3D3 .B. 7139C-H3BZ* 3旳张翎02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

10、两倍。实验步骤1、新建一个优化设计工程；由主菜单选FileOpen,打开第二部分所创建的Ex1_Tee.hfss文件。 由主菜单选FileSave as，保存在自建文件夹，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AddParametrie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 Sweep Definitions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Linear step项，变量围设为01,阶长为0.1,单位均为in, 点击Add,则在窗口右侧加

11、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 Setup Calculation,则弹出 Add/Edit Calculations 对话窗。点击左下角 Output Variables,弹出 Output Variables 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

12、 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 Create Modal data Report 项选择 Rectangular Plot，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HFSSDesign Properties，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

13、 Goals标签页，点击左下角Setup Calculation选项，弹出Add/Edit Calculation对话框，点击左下角Output vadiables,创建新的一个目标 变量，Name 栏中为：Cost,通过 Insert into Expression 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/Edit Calculation对话框，点击下方Add Calculation，添加目标变量到 Setup Optimization 对话框 Cost 中。设置优化变量的取值围：选择 Vari

14、ables 标签页,在 Variable 列 只有 offset 变量,勾选 Override 项,在 starting Value 列输入 0.1 。 Min 中： 0, Max 中： 0.3,offset 变化围在 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OptimizationSetupl项上点右键，选择View Analysis Result，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

15、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优化围的最小值可以

16、取0英寸。2、表面电场随变量 Offset 变化Offset=0inOffset=0.3inOffset=0.9inOffset=0.6in优化设计结果1 、优化结果在 offset=0.093in 时，目标函数(Cost function)：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

17、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、HFSS 15.0 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 0.48儿 半径为X/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九/4。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X/200。长度为1=0.48九 两臂之间的间隙很小，理

18、 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:、孑-皿 a sinA(/-z) z0/m sin kl + e) z 0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

19、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。如图2所示，电流元I(z)所产生的辐射场为其中FEPCOS目5、方向函数实验步骤1、设计变量(以表格的形式列出来)lambda100nmlOOmnDesi gnlengttL0. 0*la.40mmDesi gn0. 24nm0.24nmDesL gnd.ip_leiLgthlength/- - 23.dSmnDesL gnlip_r-idi uslinBlo/LOO0. Em fiDesi gn.r al_r-adio.G25. SnrTiDesi 哥1r a-lh.e i gk*tlerL.34nvn厂厂厂厂厂厂rrrrrr：=mesI

20、tlhITni tEr：31nated V. .TypeDescriptl onEnd onlyHidden设置求解类型为Driven Model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

21、在3GHz，同时 添加2.5 GHz:A3.5 GHz:频段的扫频设置，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。FreqPHil图中所示是在2.5 GHz A3.5 GHz频段的回波损耗，设计的偶极子 天线中心频率约为3GHz, Sll-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

22、的电压峰值与电 压谷值之比。XY Pbt 2HF55Dfln2帀由图可以看到在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IGI=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

23、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:Cum It ftdBjCiHrilotari Sotipi Frtq-KJQHZ Pntoefl由图可以看到，电场方向以Z轴为对称轴,在 XOY 平面上电场0190-150HFSSDesig

24、n2 鼻Radiation Pattern 2Curve InindEKGainTolflJj Srlup! LsxtAdapbvE Frsq-TG Hr Thara-TOdeQ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。dlH(Oai nTiatal)2.H2G0e-i-000 -M.1076e-0ai -a.aase+Dae -6.0B59ct03e -3.52346+000 -1.1761E+0

25、ai -1.4599+031 -1.7436&4001 -2 .aZ7L+4GKi -2.3111001 -2.599&+031 -2.0706=031 -3.1624e-b031 -3.44516+031 -3.729964001 -H.0137e-i-001 -M. 297440916、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。|3D Sphere| Getijpl : LostAdapitiveN one|Frcq-3GHzo| dip_length=23. S8mm dip_radii Radiation Pa

26、ttern 2nCove InfoAntenna ParametersInputsSetup N-arne:Solution:Array Setup:Intrinsic Varialion:Design Variation:Antenna Parameters:QuantityFreqValueMdz U3GH0.1 3601 W/iiPeak Directivitr1l.f血Peak Gain1.7486Peak Realized Gain1.7343Radiated Powern ARS1 WAccept&d Pos/j er0.99184. WIncident1 WRadi-ation

27、EfficiencyLI. 3北山Front to El-ack Ratio-N/A-D ecav Factor0Maximum Field Data:rE FieldFreqValueAtfPhiJheiT cital3GHz10.201 V53deq.30dE：gX4.5234 V360degJ 3 IdegY4.5347 V270degJ 31 degZ10.201 V53deg,90degrrrHFSSDeskGainTutdlS&tucl : La&tAdaptive$L2in常 Freq-3Glt Phi=,°, GainTotalS&tut1 . LdlAdafjtive-

28、Mirrn -SiTim Fieq-JGHz PhiOdegUainl otal SetuEl : Last Adaptive制丄冉mm 制一断T Fieq-3Gtt Phi= Meg GainTotal Setup 1 : Last Adaptive-1ll0mrn,当尸囁耐 hreq JGHz- Fhi-Odeq130图39扫描变量$1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。