HFSS天線設(shè)計有限元方法

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1、四、HFSS的使用與實例1、HFSS的安裝:依次安裝:HFSSSCAPLIB然后安裝補(bǔ)丁:見后圖并復(fù)制license.lic to Admin 2、HFSS的應(yīng)用:以實例說明:實例1:探針饋電的貼片天線創(chuàng)建一個工程 注意檢查:a)ToolsOptionsHFSS Options b)ToolsOptions3D Modeler OptionsCheck it 設(shè)置求解類型:HFSSSolution TypeDriven Tenminal模式驅(qū)動:計算以模式為基礎(chǔ)的S參數(shù),根據(jù)波導(dǎo)模式的入射和反射功率表示S參數(shù)矩陣的解,波導(dǎo)、天線、散射場等多用這個模式。這是種從場的方式進(jìn)行仿真分析,給出的是功率

2、。終端驅(qū)動:計算以終端為基礎(chǔ)的多導(dǎo)體傳輸線端口的S參數(shù),此時,根據(jù)傳輸線終端的電壓和電流表示S參數(shù)矩陣的解, 微帶類用這個比較多。這是種從路的角度仿真分 析,給出的是電壓電流,而集中端口就是通過RLC參數(shù)計算阻抗。本征模:計算某一結(jié)構(gòu)的本征模式或諧振,本征模求解器可以求出該結(jié)構(gòu)的諧振頻率以及這些諧振頻率下的場模式。 建模過程:(1)設(shè)置模型單位:3D ModelerUnits選擇cmOK2) 選擇模型材料:在search材料框中輸入 rogers RT/等選擇5880材料 3)建立基底:DrawBox在底部的坐標(biāo)輸入框中輸入坐標(biāo),確認(rèn)后在屬性對話框中輸入基底名稱SUB1,鍵入CTRL+D,縮小

3、全部顯示基底(-5,-4.5, 0)回車(10, 9, 0.32)回車鍵入Sub1 鍵入Ctrl+D 4)建立infinite ground:DrawRectangle在底部的坐標(biāo)輸入框中輸入坐標(biāo),確認(rèn)后在屬性對話框中輸入地的名稱inf_gnd,Ok, 然后鍵入CTRL+D,縮小全部顯示基底 (-5,-4.5, 0)回車(10, 9, 0)回車 5)設(shè)置地的邊界條件:EditSelectby name選擇inf_gndokHfssBoundariesAssignPerfect E輸入名稱perf_gnd,確認(rèn)infinite ground plane 被checkedok 6)在地上打孔并完成

4、地的設(shè)計: Drawcircle輸入圓盤位置坐標(biāo)(-0.5, 0,0)和半徑(0.16, 0, 0)ok取名cut_out,確認(rèn)。同時選擇(按住ctrl鍵點(diǎn)鼠標(biāo)選擇)inf_gnd和cut_out, ok3D Modeler Boolean Subtract如圖選擇blank和tool parts,ok地就建好了。 7)貼片設(shè)計:Drawrectangle輸入坐標(biāo)(-2,-1.5,0.32)確認(rèn)輸入增量(4, 3, 0)確認(rèn)輸入貼片名稱patch 8)設(shè)置貼片的電特性,完成貼片設(shè)計:EditSelect by name選擇patchokHFSSBoundariesAssignPerfect E

5、輸入名稱: Perf_patch確認(rèn)。 9)饋電同軸線建模:首先設(shè)置默認(rèn)材料為真空DrawCylinder輸入位置坐標(biāo)(-0.5, 0, 0)回車,半徑(0.16, 0, 0)回車同軸線長度(0, 0,-0.5)回車從properties 窗口中輸入名稱 coax按住ctrl+alt,拖動鼠標(biāo)變換視角 選擇默認(rèn)材料為pec,建立同軸線的軸心Drawcylinder輸入柱位置坐標(biāo)(-0.5, 0, 0)柱半徑(0.07, 0, 0)柱長(0, 0, -0.5)確認(rèn)輸入名稱coax_pinok 10)創(chuàng)建波端口激勵DrawCircle輸入端口面的位置坐標(biāo)(-0.5,0,-0.5)輸入半徑(0.16

6、,0,0)命名為port1,確認(rèn)選擇port1,設(shè)置激勵HFSSExcitationsAssignWave prot 設(shè)置端口名p1,點(diǎn)擊下一步 終端數(shù)目:1從終端線中選擇new line出現(xiàn)下列對話框,并在底部的坐標(biāo)輸入框中輸入矢量線的位置坐標(biāo)始點(diǎn)(-0.34,0,-0.5)長度為(-0.09,0,0)確認(rèn),下一步到完成即可。 說明兩點(diǎn):(1)兩種波端口加法:Wave port:假定你定義的波端口連接到一個半無限長的波導(dǎo),該波導(dǎo)具有與端口相同的截面和材料,每個端口都是獨(dú)立的激勵并且在端口中每一個入射模式的平均功率為1瓦。Lumped port:這種激勵避免建立一個同軸或者波導(dǎo)激勵,從而在一定

7、程度上減輕了模型量,也減少了計算時間。Lumpport也可以用一個面來代表,要注意的是對該port的校準(zhǔn)線和阻抗線的設(shè)置一定要準(zhǔn)確,端口在空間上一定要與其他金屬(或者電面)相連,否則結(jié)果記憶出錯。(2)本例中波端口新線的定義位置示意0.07 0.16中心位置坐標(biāo)是-0.5,所以外徑的位置是:-0.5+0.16=-0.34指向軸心的長度為:0.16-0.07=0.09 矢量線的位置坐標(biāo)始點(diǎn)(-0.34,0,-0.5)長度為(-0.09,0,0) 11)創(chuàng)建探針(probe),完成貼片天線設(shè)計DrawCylinder輸入坐標(biāo)(-0.5,0,0)半徑(0.07,0,0)長度(0,0,0.32)確認(rèn)命

8、名為probe即可。 12)創(chuàng)建輻射邊界條件首先選擇真空材料Drawbox輸入輻射邊界的位置坐標(biāo)(-5,-4.5,0)長寬高(10, 9, 3.32)確認(rèn)命名為air,Ctrl+D 縮小觀察尺寸 下邊設(shè)置輻射邊界條件:Editselectfaces選擇air的5個面,除了底面。HFSSboundariesradiation命名為rad1,確認(rèn)即可 13)設(shè)置輻射場分析條件HFSSradiationinsert far field setupinfinite sphere在對話框中如圖選擇參數(shù)確定 14)創(chuàng)建分析設(shè)置HFSSanalysis setupadd solution setup選擇Ge

9、neral tab求解頻率:2.25GHz最大迭代處理階段數(shù):20(即hfss完成仿真的最大迭代次數(shù),如果在這個次數(shù)之內(nèi)達(dá)到了delta S的收斂值,就可以認(rèn)為達(dá)到計算要求,否則會要求修正收斂精度和迭代次數(shù))每個階段的最大delta S: 0.02(即收斂精度,這個與端口設(shè)計有關(guān),是兩個連續(xù)迭代求解S參數(shù)的數(shù)量變化的收 斂值,即如果兩次迭代過程的S參數(shù)的數(shù)量變化和相位變化均小于這個設(shè)定值,那么自適應(yīng)分析求解就會停止,否則將繼續(xù)修改網(wǎng)格,直到在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)達(dá)到精度要求為止,否者結(jié)果是發(fā)散的,不能用) 繼續(xù)加人頻率計算范圍:HFSSanalsis setupadd sweepok如圖編輯swe

10、ep 窗口: 保存工程,即可開始經(jīng)行求解分析。 15)求解分析模型檢查:HFSSValidation check分析開始:HFSSanalyze查看求解結(jié)果的斂散性:HFSSresultssolution data 創(chuàng)建輸出數(shù)據(jù)報表:a) S參數(shù)特性:如圖操作:確認(rèn)即可: 在圖中點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵可mark all trace,找到最小值的頻率和帶寬。S11的定義:就是端口1的反射系數(shù),定義為反射電壓和入射電壓的比值。如果從功率角度講,可以理解為反射功率/入射功率,即回波損耗。與駐波比和反射系數(shù)的關(guān)系是: 111111 SVSWR S 112, 10VSWR S dB 由于天線與饋線的阻抗不匹配或者天

11、線與發(fā)射機(jī)的阻抗不匹配,高頻能量反射,并與前行波干擾形成駐波。當(dāng)完全匹配時,反射系數(shù)為0,駐波比為1,這是理想狀態(tài)。 b)遠(yuǎn)區(qū)輻射場特性創(chuàng)建求解報告如圖示:如圖設(shè)置輸出參數(shù) 1、dBm dBm是一個考征功率絕對值的值,計算公式為:10lgP(功率值/1mw)。 例1 如果發(fā)射功率P為1mw,折算為dBm后為0dBm。 例2 對于40W的功率,按dBm單位進(jìn)行折算后的值應(yīng)為: 10lg(40W/1mw)=10lg(40000)=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。 有關(guān)增益單位的定義: 2、dBi 和dBd dBi和dBd是考征增益的值(功率增益),兩者都是一個相對值, 但參

12、考基準(zhǔn)不一樣。dBi的參考基準(zhǔn)為全方向性天線,dBd的參考基準(zhǔn)為偶極子,所以兩者略有不同。一般認(rèn)為,表示同一個增益,用dBi表示出來比用dBd表示出來要大2. 15。 例3 對于一面增益為16dBd的天線,其增益折算成單位為dBi時,則為18.15dBi(一般忽略小數(shù)位,為18dBi)。 例4 0dBd=2.15dBi。 例5 GSM900天線增益可以為13dBd(15dBi),GSM1800天線增益可以為15dBd(17dBi)。 3、dB dB是一個表征相對值的值,當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個dB時,按下面計算公式:10lg(甲功率/乙功率)是說,甲的功率比乙的功率大3 dB。 例7 7/8 英寸GSM900饋線的100米傳輸損耗約為3.9dB。 例8 如果甲的功率為46dBm,乙的功率為40dBm,則可以說,甲比乙大6 dB。 例9 如果甲天線為12dBd,乙天線為14dBd,可以說甲比乙小2 dB。

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