HFSS天線設(shè)計(jì)有限元方法

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1、四、HFSS的使用與實(shí)例1、HFSS的安裝：依次安裝:HFSSSCAPLIB然后安裝補(bǔ)丁：見(jiàn)后圖并復(fù)制license.lic to Admin 2、HFSS的應(yīng)用：以實(shí)例說(shuō)明：實(shí)例1：探針饋電的貼片天線創(chuàng)建一個(gè)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(dòng)：計(jì)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(chǎng)等多用這個(gè)模式。這是種從場(chǎng)的方式進(jìn)行仿真分析，給出的是功率

2、。終端驅(qū)動(dòng)：計(jì)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(shí)，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(gè)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(guò)RLC參數(shù)計(jì)算阻抗。本征模：計(jì)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(chǎng)模式。 建模過(guò)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(duì)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(duì)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(jì)： Drawcircle輸入圓盤(pán)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(shí)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(jì)：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(jì)：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(zhǎng)度（0, 0，-0.5）回車從properties 窗口中輸入名稱 coax按住ctrl+alt,拖動(dòng)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(zhǎng)（0, 0, -0.5）確認(rèn)輸入名稱coax_pinok 10）創(chuàng)建波端口激勵(lì)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(lì)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(duì)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(zhǎng)度為（-0.09,0,0）確認(rèn)，下一步到完成即可。 說(shuō)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(gè)半無(wú)限長(zhǎng)的波導(dǎo)，該波導(dǎo)具有與端口相同的截面和材料，每個(gè)端口都是獨(dú)立的激勵(lì)并且在端口中每一個(gè)入射模式的平均功率為1瓦。Lumped port：這種激勵(lì)避免建立一個(gè)同軸或者波導(dǎo)激勵(lì)，從而在一定

7、程度上減輕了模型量，也減少了計(jì)算時(shí)間。Lumpport也可以用一個(gè)面來(lái)代表，要注意的是對(duì)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(cuò)。（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(zhǎng)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(zhǎng)度為（-0.09,0,0） 11）創(chuàng)建探針（probe)，完成貼片天線設(shè)計(jì)DrawCylinder輸入坐標(biāo)（-0.5,0,0）半徑（0.07,0,0）長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)面，除了底面。HFSSboundariesradiation命名為rad1,確認(rèn)即可 13）設(shè)置輻射場(chǎng)分析條件HFSSradiationinsert far field setupinfinite sphere在對(duì)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(gè)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(jì)算要求，否則會(huì)要求修正收斂精度和迭代次數(shù)）每個(gè)階段的最大delta S: 0.02（即收斂精度，這個(gè)與端口設(shè)計(jì)有關(guān)，是兩個(gè)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(guò)程的S參數(shù)的數(shù)量變化和相位變化均小于這個(gè)設(shè)定值，那么自適應(yīng)分析求解就會(huì)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(jì)算范圍：HFSSanalsis setupadd sweepok如圖編輯swe

10、ep 窗口： 保存工程，即可開(kāi)始經(jīng)行求解分析。 15）求解分析模型檢查：HFSSValidation check分析開(kāi)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(bào)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(shí)，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(chǎng)特性創(chuàng)建求解報(bào)告如圖示：如圖設(shè)置輸出參數(shù) 1、dBm dBm是一個(gè)考征功率絕對(duì)值的值，計(jì)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(duì)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(gè)相對(duì)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(gè)增益，用dBi表示出來(lái)比用dBd表示出來(lái)要大2. 15。 例3 對(duì)于一面增益為16dBd的天線，其增益折算成單位為dBi時(shí)，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(gè)表征相對(duì)值的值，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個(gè)dB時(shí)，按下面計(jì)算公式：10lg（甲功率/乙功率）是說(shuō)，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(shuō)，甲比乙大6 dB。 例9 如果甲天線為12dBd，乙天線為14dBd，可以說(shuō)甲比乙小2 dB。