微波技术与天线仿真实验报告

《微波技术与天线》HFSS仿真实验报告实验二H面T型波导分支器设计一．仿真实验内容和目的使用HFSS设计一个带有隔片的H面T型波导分支器，首先分析隔片位于T型波导正中央，在8~10GHz的工作频段内，波导输入输出端口的S参数随频率变化的关系曲线以及10GHz时波导表面的电场分布；然后通过参数扫描分析以及优化设计功能分析在10GHz处输入输出端口的S参数随着隔片位置变化而变化的关系曲线；最后利用HFSS优化设计功能找出端口三输出功率是端口二输出功率两倍时隔片所在位置。二．设计模型简介整个H面T型波导分为两个部分：T型波导模型，隔片。见图1。图1三．建模和仿真步骤1.运行HFSS并新建工程，把工程另存为Tee.hfss。2.选择求解类型：主菜单HFSS→solutiontype→drivenmodal，设置求解类型为模式驱动。3.设置长度单位：主菜单modeler→units→in，设置默认长度单位为英寸。4.创建长方体模型1）从主菜单选择draw→box，进入创建长方体模型的工作状态，移动鼠标到HFSS工作界面的右下角状态栏，在状态栏输入长方体的起始点坐标为（0，-0.45,0），按下回车键确认之后在状态栏输入长方体的长宽高分别为2,0.9，0.4。2）再次按下回车键之后，在新建长方体的属性对话框修改物体的位置，尺寸，名称，材料和透明度等属性。在attribute选项卡中将长方体名称项（name）修改为Tee，材料属性（material）保持为真空（vacuum）不变，透明度（transparent）设置为0.4。3）设置端口激励4）复制长方体第二个和第三个臂5）合并长方体5.创建隔片1）创建一个长方体并设置位置和尺寸2）执行相减操作上诉步骤完成后即可得到H面T型波导的三维仿真模型图如图2所示图26.分析求解设置1）添加求解设置：在工程管理窗口中展开工程并选中analyse节点，单击右键，在弹出的快捷菜单中选择addsolutiontype并设置相关参数，完成后工程管理窗口的analyse节点下会添加一个名称为setup1的求解设置项2）添加扫频设置：在工程管理窗口中展开analysis节点，右键单击前面添加的setup1求解设置项，在弹出菜单中单击addfrequencysweep，并设置sweepname，sweeptype，等参数。Frequencysetup项作表1所示的设置。TypeLinearsetupStart8GHzStop10GHzStepsize0.01GHz表13）设计检查7.运行仿真分析：HFSS→analyzeall四．仿真结果分析1.图形化显示S参数计算结果图3为S11，S12，S13幅度随着频率变化的曲线。从图中可以看出，随着频率的增加，S11，S12的幅度略有降低，S13的幅度有明显上升。图32.查看表面电场分布图4位T型波导上表面场分布情况，图5为动态演示场分布图。从场分布图中可以看出，信号从端口1进入，分别从端口2和端口3输出。通过调整隔片的位置可以调节从端口1传输到端口2，端口3的信号能量大小。图4--T型波导上表面场分布情况图5--动态演示场分布图五．参数扫描研究使用HFSSoptimetrics模块的参数扫描分析功能，分析T型波导端口的输出功率和隔片位置之间的关系。功率分配随变量offset变化的关系如图6：图6--功率分配随变量offset变化关系六．优化设计添加优化设计项，进行优化设计，找出端口3的输出功率是端口2输出功率两倍的隔片位置。优化分析完成之后，在table列表里会列出变量offset优化后的最佳值。本例中，从图7优化结果中可以看出，当变量offset=0.96in时，T型波导端口3的输出功率是端口2的输出功率的两倍。图7七．总计和思考通过本次实验，对HFSS的工作界面，操作步骤以及工作流程有了一个整体的直观的认知。期待在后面的实验中，通过不断的深入学习，进一步理解设计的原理。《微波技术与天线》HFSS仿真实验报告实验三半波偶极子天线设计专业电子信息工程年级14级姓名赵广元学号1428403058指导老师评分一．仿真实验内容和目的使用HFSS设计一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线。并查看天线的回波损耗，电压驻波比，Smith圆图，输入阻抗，以及方向图等其他参数。二．设计模型简介整个半波偶极子由偶极子天线和辐射边界组成，如图1。天线各部分的结构尺寸见表1.图1变量意义变量名变量值（单位：mm）工作波长Lambda100天线总长度length0.48*lambda端口距离gap0.24单个极子长度dip_lengthlength/2-gap/2天线半径dip_radiuslambda/200辐射边界圆柱体半径rad_radiusdip_radius+lambda/4辐射边界圆柱体高度/2rad_heightdip_length+gap/2+lambda/10表1三．建模和仿真步骤5.新建设计工程1）运行HFSS并新建工程，把工程另存为dipole.hfss。2）选择求解类型：主菜单HFSS→solutiontype→drivenmodal，设置求解类型为模式驱动。3）设置模型长度单位：主菜单modeler→units→mm，设置默认长度单位为毫米。2.添加和定义设计变量1）从主菜单选择HFSS→designproperties命令，打开设计属性对话框添加变量Lambda2）使用相同的操作步骤定义变量length，gap，dip_length，dip_radius，rad_radius，rad_height，并设置初始值分别为0.48*lambda，0.24，length/2-gap/2，lambda/200，dip_radius+lambda/4，dip_length+gap/2+lambda/10。3.设计建模1）创建偶极子天线模型2）设置端口激励3）设置辐射边界条件4.求解设置：分析的半波偶极子的天线在3GHz附近，所以设置求解频率为3GHz，同时添加2.5GHz~3.5GHz的扫频设置，扫频类型选择快速扫频，分析天线在2.5GHz~3.5GHz频段内的回波损耗和电压驻波比。1）求解频率和网格剖分设置：设置求解频率为3GHz，自适应网络剖分的最大迭代次数为20，收敛误差为0.02。2）扫频设置：扫频类型选择快速扫频，扫频频率范围为2.5GHz~3.5GHz，频率步进为0.001GHz。5.设计检查和运行仿真计算四．仿真结果分析1.回波损耗从图2可以看出，设计的偶极子天线的中心频率约为3GHz,S11-10dB的相对带宽BW=（3.249-2.789）/3=15.3%。图22.电压驻波比VSWR由图3可以看出,在中心频率为3GHz时，电压驻波比约为1.图33.Smith圆图从Smith圆图的结果图4可以看出，在中心频率为3GHz时的归一化阻抗约为1，说明天线的端口阻抗匹配良好。VSWR2（即反射系数|T|1/3）的频率范围约为2.78GHz-3.27GHz.图44.输入阻抗从结果报告图5中可以看出，设计的半波偶极子天线在中心频率3GHz上，输入阻抗为（72.8-j0.4）Ω，和理论分析结果十分相近。图55.方向图1）半波偶极子XZ面的增益方向图如图6图62）半波偶极子XY面的增益方向图如图7图73）三维增益方向图如图8图8五．总结和思考本次实验在第一次实验的基础上查看了天线的回波损耗，电压驻波比，Smith圆图，输入阻抗，以及方向图等其他参数。对这些参数的分析更加深刻的体会到了HFSS强大的仿真功能，对相关模型的参数分析也帮助自己进一步理解了模型分析的原理。《微波技术与天线》HFSS仿真实验报告实验四八木-宇田天线设计专业电子信息工程年级14级姓名赵广元学号1428403058指导老师评分一．仿真实验内容和目的学习理解八木天线的原理及结构，设计一个中心频率为3GHz的五元八木天线，根据给定的增益、波瓣宽度、福瓣宽度、前后辐射比、驻波比以及工作带宽确定天线的振子数、各振子长度及直径、各振子间的间距等几何尺寸。二．设计模型简介设计模型如图1，有源振子采用圆柱形对称偶极子，偶极子采用集总波端口激励；反向器和引向器均为金属圆柱，振子垂直于xy平面，天线的引向器指向y轴的正方向，金属振子材料为铝；选择长方形作为辐射空气腔并设置辐射边界。该天线的工作频率为3GHz，所以我们设置求解中心频率为3GHz，并设置扫频范围为2.5-3.5GHz。定义的相关设计变量如表1。图1--五元八木天线的结构八木天线的结构尺寸：变量意义变量名变量值（单位：mm）工作波长lambda100反射器长度LR0.5*lambda偶极子长度L00.475*lambda反射器1长度L10.4*lambda反射器2长度L20.37*lambda反射器3长度L30.34*lambda反射器和偶极子间距dR0.18*lambda偶极子与第一个引向器间距d10.18*lambda第一个引向器间距与第二个引向器间距d20.18*lambda第二个引向器间距与第三个引向器间距d30.21*lambda圆柱体半径rad0.01*lambda激励端口平面高度gap0.4表1三．建模和仿真步骤1.新建HFSS工程设计并保存1)创建新工程并命名为Model_Antenna2)设置求解类型3)模型长度单位2.建模的相关选项设置3.定义设计变量4.设置模型的默认材料5.创建有源对称振子1）创建对称振子的单臂模型2)复制生成偶极子的另一个臂6.创建反射器模型7.创建3个引向器的模型8.设置集总端口激励1)创建端口激励平面2)设置集总端口激励的积分线9.设置辐射边界条件1)创建长方体空腔2)设置辐射边界条件10.仿真的基本设置1)求解设置2)扫频设置：2.5GHz-3.5GHz,步长0.1GHz3)仿真有效性验证及分析计算四．仿真结果分析1.天线S11参数的扫频曲线由图2可以看出，八木天线的谐振点位于2.8GHz左右。与期望的中心频率3GHz还存在一定差距。图2--天线S11参数的扫频曲线2.电压驻波比曲线图3--电压驻波比曲线五．参数扫描分析1.对变量dR进行扫描分析由图4扫描分析结果可以看出，不同dR值对应的S11扫频曲线谐振点均位于2.8GHz左右。与期望的中心频率3GHz还存在一定差距。图4--不同dR值对应的S11扫频曲线2.对变量L0进行扫描分析由图5可以看出，天线谐振频率随有源振子的长度增加而降低。当L0=44.5mm时，谐振频率约为3GHz.图5--不同L0对应的S11扫频曲线六．优化设计1.指定优化变量：将L0指定为优化变量，优化范围为43.5mm-45mm。2.添加优化设置3.进行优化设计4.查看优化结果:由图6可知HFSS优化设计一共进行了20次的迭代计算，其中第七次迭代计算的目标函数S11的数值最小，为44.440.图65.应用并查看优化后的天线指标1）天线的S11参数：由图7可见，S11的最小值位于3GHz处，最小值为-15.8dB,实现了天线在3GHz时的谐振。图7--天线S11的参数扫频曲线2）天线的三维增益方向图由图8可以看出，八木天线的最大辐射方向指向Y轴正方向，与引向器的方向一致，且前向辐射比后向辐射大许多，这些都说明了天线的反射器和引向器发挥了正常的作用，最大辐射增益为9.3dB左右。图8--三维远场辐射增益方向图3）天线的二维增益方向图如图9图9--YOZ平面的二维辐射增益方向图4）天线参数列表七．总结和思考通过本章的学习，进一步了解了八木天线的设计思路，以及HFSS仿真设计的相关操作和技巧。如果天线指标参数不够理想，可以通过使用参数优化设计的方法进一步对天线尺寸进行优化。