南昌大学HFSS工程应用仿真实验报告18.docx

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南昌大学HFSS工程应用仿真实验报告18

《工程电磁场数值计算与仿真》实验报告

学院：

信息工程系：

电子信息工程

专业：

通信工程

班级：

通信133班

学号：

6102213930

学生姓名：

陈佳

日期：

2016.06.16

实验一交叉耦合滤波器设计与仿真

一、设计指标要求：

中心频率：

910MHz

带宽：

40MHz

带内反射：

<20dB

带外抑制：

在MHz处>20dB

此滤波器通过三腔微带结构（环形谐振器）实现。

选用介质板的相对介电常数为εr=1.8，厚度为h=1.27mm。

腔体为半波长方腔结构，腔间耦合程度通过腔间距离来控制，使得滤波器谐振频率在910MHz。

最终获得反射系数和参数系数曲线的仿真结果。

二、实验设备：

PC机、HFSS仿真软件。

三、设计原理：

具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。

这种形式的特点是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合，即”交叉耦合”甚至可以采用源与负载也与谐振腔耦合，以及源与负载之间的耦合。

HFSS仿真实现对滤波器贴片和馈电的建模，然后介绍端口和边界的设置，最后生成了反射系数和传输系数曲线的仿真结果。

滤波器采用三腔微带环形滤波器，其耦合矩阵为：

四、设计仿真步骤：

（1）建立新的工程

为了方便建立模型，在Tool>Options>HFSSOptions中将Duplicateboundarieswithgeometry复选框选中。

（2）设置求解类型

Ø在菜单栏中点击HFSS>SolutionType>DrivenModel>OK.

（3）设置模型单位

Ø在菜单栏中点击Modeler>Units>mm.

（4）建立滤波器模型

Ø建立介质基片

1）在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮

。

2）在软件操作界面右下角输入长方体起点坐标及X、Y、Z三个方向尺寸。

输入坐标时，可以用Tab键来切换。

3）在属性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该长方体命名为Substrate,透明度改为0.85.

4）点击Material后面的按钮，在材料设置窗口中点击AddMaterial按钮，添加介电常量为10.8的介质，命名为sub.

Ø创建Ring_1

1）在菜单栏中点击Draw>Rectangle.

2）同创建介质基片方法一样，输入坐标起点及尺寸，并将矩形修改名字为Ring_1.

3）同理创建矩形Inner、Cut_1.

4）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,利用Ctrl键选择Ring_1、Inner和Cut_1.

5）在菜单栏中点击Modeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中设置：

Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选，点击OK结束。

Ø移动Ring_1

1）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,选中Ring_1

2）在菜单栏中点击Edit>Arrange>Move,在坐标栏输入移动的向量。

Ø创建Ring_2

1）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,选中Ring_1

2）在菜单栏中点击Edit>Duplicate>Mirror,在坐标栏输入镜像向量。

3）在操作历史树中双击新建的矩形，在属性窗口中重命名为Ring_2

Ø创建Ring_3

1）同创建矩形Ring_1方法，创建矩形Ring_3、Cut_2、Inner_2

2）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,利用Ctrl键选择Ring_3、Inner_2和Cut_2.

3）在菜单栏中点击Modeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中设置：

Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选，点击OK结束。

Ø同移动矩形Ring_1方法，移动矩形Ring_3.

Ø创建Feedline_1

1）创建矩形F_1、F_2

2）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,利用Ctrl键选择F_1、F_2.

3）在菜单栏中点击Modeler>Boolean>Unite,完成矩形F_1、F_2的组合并在新组合的模型F_1上双击，在属性窗口中重命名为Feedline_1.

Ø同创建Ring_2方法，通过镜像Feedline_1得到Feedline_2

Ø组合Ring_1、Ring_2、Ring_3、Feedline_1、Feedline_2并命名为Trace.

（5）创建端口

Ø创建port_1

1）在菜单栏中点击Modeler>GridPlane>XZ

2）创建一个矩形并命名为port_1

3）在菜单栏中点击HFSS>Excitations>Assign>LumpedPort,在LumpedPort窗口的General标签中，将端口命名p1,点击Next.

4）在Modes标签中的IntegrationLine中点击None,选择NewLine,在坐标拦中输入起点和尺寸，点击Next结束。

Ø通过port_1镜像创建port_2

（6）创建Air

1）在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮

。

2）在坐标栏输入起点和坐标尺寸，并将长方体命名为Air.

（7）设置边界条件

Ø设置理想金属边界条件

1）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,选中Trace.

2）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE,在弹出的对话框中将其命名为Perf_Trace,点击OK结束。

3）在菜单栏中点击Edit>Select>Faces,设置为选择表面。

然后点击ByName,选择Substrate并选择其下表面。

4）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE,在弹出的对话框中将其命名为Perf_Gound,点击OK结束。

Ø设置辐射边界条件

1）在菜单栏中点击Edit>Select>Object,然后点击ByName,选择Air.

2）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Radiation,在弹出的对话框中点击OK结束。

（8）为该问题设置求解频率及扫描范围

Ø设置求解频率

1）在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSolutionSetup.

2）在求解窗口中设置：

点击OK结束。

Ø设置扫频

1）在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSetup.

2）选择Setup1,点击OK结束。

3）在扫频窗口中设置：

4）将SaveField复选框选中点击OK结束。

（9）保存工程并命名为hfss_3couple,设计结果如下图：

图一、滤波器完整模型

Ø点击菜单栏的

图标，检查设计步骤是否出错。

如下图即为仿真设计正确。

图二、软件检错界面图

Ø在菜单栏中点击HFSS>AnalyzeAll,完成仿真设计计算，出现如下图状态：

图三、滤波器运算界面图

（10）后处理操作

Ø点击菜单栏HFSS>Result>CreateModalSolutionDataReport>RectanglePlot.

Ø在Trace窗口中设置：

点击Y标签，选择Category:

Sparameter;Quantity:

S（P1P1）、S（P2P1）；Function:

dB,点击NewReport按钮完成，仿真结果如下：

图四、滤波器的S参数曲线

以上为反射系数与传输系数曲线，观察结果图可发现，中心频率在910MHz,带宽为：

890~930MHz,最大的S21出现在893.6MHz,值为-19.577dB,在842MHz的带外频点处，带外抑制大于20dB,可见设计结果是满足指标要求的。

五、实验心得：

本实验是HFSS设计仿真的第一个实验，刚上手软件，使用技巧、实验原理都不太清晰。

故需按照实验书的操作步骤一步步来，仔细输入各种参数各种设置。

且由于实验书的一些印刷错误或书籍与软件版本不统一的问题，一些设置出现与目标设计不符合的结果，故实验中还需要一定的英文基础，明白英文的意思然后仔细对比每一步操作后的设计结果，找到正确的下一步操作方法。

这个实验我做了很久，完成所有操作后，运行结果出不来，请教老师后才发现少了HFSS>AnalyzeAll这一步操作。

这一步是书上没有给出的，所以只能一直卡在这并且反复的重新操作了很多遍，不过也因此更加熟练了操作步骤，以及更加深入的掌握了交叉耦合滤波器的工作原理及所能达到的效果，对于仿真设计中，矩形、端口边界条件等的设计注意事项及技巧也更加熟练，为后续的实验打下基础。

实验二源-负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真

一、设计指标要求：

中心频率：

3.3GHz

相对带宽：

0.02MHz

带内回波损耗：

20dB

阻带最小衰减：

25dB

此滤波器通过微带结构实现，选用材料为氧化铝陶瓷的介质板，其相对介电常数为εr=9.8，厚度为h=0.5mm。

该设计与仿真采用两腔谐振器，最终获得反射系数和参数系数曲线的仿真结果。

二、实验设备：

PC机、HFSS仿真软件。

三、设计原理：

交叉耦合滤波器在非相邻谐振腔之间引入交叉耦合，以得到有限频率交叉零点，提高滤波器的选择特性。

一般来讲，一个N腔交叉耦合滤波器最多只能实现N-2个传输零点。

对于给定的一种含有N个谐振器的滤波器，如果在源与负载之间也引入耦合，则可以实现N个传输零点。

HFSS仿真实现对滤波器贴片和馈电的建模，然后介绍端口和边界的设置，最后生成了反射系数和传输系数曲线的仿真结果。

采用两腔耦合谐振器，并引入源与负载之间的耦合，其耦合矩阵为：

四、设计仿真步骤：

（1）建立新的工程

为了方便建立模型，在Tool>Options>HFSSOptions中将Duplicateboundarieswithgeometry复选框选中。

（2）设置求解类型

Ø在菜单栏中点击HFSS>SolutionType>DrivenModel>OK.

（3）设置模型单位

Ø在菜单栏中点击Modeler>Units>mm.

（4）建立滤波器模型

Ø建立介质基片

1）在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮

。

2）在软件操作界面右下角输入长方体起点坐标及X、Y、Z三个方向尺寸。

输入坐标时，可以用Tab键来切换。

3）在属性窗口中选择Attribute标签，将该长方体命名为Substrate,透明度改为0.85.

4）点击Material后面的按钮，将材料设置为Al2_O3_ceramic,点击Color后面的Edit按钮，将颜色设置为绿色，点击OK结束。

Ø创建Ring_1

1）在菜单栏中点击Draw>RegularPolygon.

2）同创建介质基片方法一样，输入坐标起点及尺寸，然后在弹出的SegmentNumber窗口中将多边形边数改为6，并将矩形修改名字为Ring_1.

3）同理创建正多边形Inner.

4）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,利用Ctrl键选择Ring_1、Inner.

5）在菜单栏中点击Modeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中设置：

Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选，点击OK结束。

Ø移动Ring_1

1）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,选中Ring_1

2）在菜单栏中点击Edit>Arrange>Move,在坐标栏输入移动的向量。

3）同实验一方法创建矩形Cut_1,然后同时选中Ring_1、Cut_1,在菜单栏中点击Modeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中设置：

Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选，点击OK结束。

Ø通过Ring_1镜像创建Ring_2

Ø创建Feedline_1

1）在菜单栏中点击Draw>Line.

2）在右下角的坐标栏中输入11段线段坐标并在属性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Feedline_1.

3）通过Feedline_1镜像创建Feedline_2

Ø组合Ring_1、Ring_2、Feedline_1、Feedline_2并重命名为Trace.

（5）创建端口

Ø创建port_1

1）在菜单栏中点击Modeler>GridPlane>XZ

2）创建一个矩形并命名为port_1

3）在菜单栏中点击HFSS>Excitations>Assign>LumpedPort,在LumpedPort窗口的General标签中，将端口命名p1,点击Next.

4）在Modes标签中的IntegrationLine中点击None,选择NewLine,在坐标拦中输入起点和尺寸，点击Next按钮直到结束。

Ø通过port_1镜像创建port_2

（6）创建Air

1）在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮

。

2）在坐标栏输入起点和坐标尺寸，并将长方体命名为Air.

（7）设置边界条件

Ø设置理想金属边界条件

1）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,选中Trace.

2）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE,在弹出的对话框中将其命名为Perf_Trace,点击OK结束。

3）在菜单栏中点击Edit>Select>Faces,设置为选择表面。

然后点击ByName,选择Substrate并选择其下表面。

4）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>PerfectE,在弹出的对话框中将其命名为Perf_Gound,点击OK结束。

Ø设置辐射边界条件

1）在菜单栏中点击Edit>Select>Object,然后点击ByName,选择Air.

2）在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Radiation,在弹出的对话框中点击OK结束。

（8）为该问题设置求解频率及扫描范围

Ø设置求解频率

1）在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSolutionSetup.

2）在求解窗口中设置：

点击OK结束。

Ø设置扫频

1）在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSetup.

2）选择Setup1,点击OK结束。

3）在扫频窗口中设置：

4）将SaveField复选框选中点击OK结束。

（9）保存工程并命名为hfss_2couple,设计结果如下图：

图一、滤波器完整模型

Ø点击菜单栏的

图标，检查设计步骤是否出错。

如下图即为仿真设计正确。

图二、软件检错界面图

Ø在菜单栏中点击HFSS>AnalyzeAll,完成仿真设计计算，出现如下图状态：

图三、滤波器运算界面图

（10）后处理操作

Ø点击菜单栏HFSS>Result>CreateModalSolutionDataReport>RectanglePlot.

Ø在Trace窗口中设置：

点击Y标签，选择Category:

Sparameter;Quantity:

S（P1P1）、S（P2P1）；Function:

dB,点击NewReport按钮完成，仿真结果如下：

图四、滤波器的S参数曲线

以上为反射系数与传输系数曲线，观察结果图可发现，中心频率在3.3GHz,相对带宽为：

3.267~3.333GHz,最大的S21出现在3.3182GHz,值为-14.6106dB。

在带外，阻带最小衰减大于25dB,可见设计结果是满足指标要求的。

五、实验心得：

本实验是HFSS设计仿真的第二个实验，在实验一的基础上已经相对熟悉了一些软件操作，故实验进行较为顺利。

值得注意的一个地方是：

在设置边界条件平面时，选择Substrate的下底面，这一操作需要鼠标一边点击Faces,一边观察仿真区域紫色面的变化以选中其底面。

得出实验结果后，参考实验书的理论知识讲解分析实验结果的正确性，再次加深对耦合交叉滤波器性能特点的理解以及运用于源—负载之间达到实现多两个传输零点的目的原理。

并且通过实验也更加熟练掌握了各设计部分的操作技巧，为后续更复杂的仿真设计做好准备。

实验三微波波导魔T元件的设计与仿真

一、设计指标要求：

工作频率为4GHz

此魔T元件设计仿真中采用波导结构实现，最终获得S参数曲线和场分布图的仿真结果。

二、实验设备：

PC机、HFSS仿真软件。

三、设计原理：

在魔T中，当TE10模微波信号从p1端口输入时，不能在端口p3内激发电磁场，即端口p3隔离，信号由p2和p4反相等分输出（E面T特征）；当信号从端口p3输入时，不能在端口p1内激发电磁场，即端口p1隔离，信号由p2和p4同相等分输出（H面T特征）。

本实验介绍如何在HFSS中利用沿轴复制的技巧实现对魔T的4个波导臂建模，同时介绍波端口积分线的设置，最后生成了S参数曲线和场分布图的仿真结果。

四、设计仿真步骤：

（1）建立新的工程

为了方便建立模型，在Tool>Options>HFSSOptions中将Duplicateboundarieswithgeometry复选框选中。

（2）设置求解类型

Ø在菜单栏中点击HFSS>SolutionType>DrivenModel>OK.

（3）设置模型单位

Ø在菜单栏中点击Modeler>Units>mm.

（4）设置模型的默认材料

Ø在工具栏中设置模型的默认材料为真空（vacuum）

（5）创建魔T

Ø创建arm_1

1）在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮

。

2）在软件操作界面右下角输入长方体起点坐标及X、Y、Z三个方向尺寸。

输入坐标时，可以用Tab键来切换。

3）在属性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该长方体命名为arm_1.

4）通过Ctrl+D操作实现3D模型合适大小的显示。

Ø设置激励端口

1）在菜单栏中点击Edit>Select>Faces,选择arm_1的上表面，选择面的方法同前两个实验一致。

2）在菜单栏中点击HFSS>Excitation>Assign>WavePort>General,在此窗口中将端口命名为p1,并在宽边中点设置积分线，方法为：

先定位好中点坐标，然后输入与底边一致的尺寸长度即可。

然后点击Next直到Finish结束。

Ø创建arm_2（借助arm_1的旋转操作完成）

1）在3D模型窗口中鼠标左键选中arm_1或Ctrl+A.

2）在菜单栏中点击Edit>Duplicate>AroundAxis.设置：

点击Next结束。

Ø创建arm_3、arm_4（借助arm_2的旋转操作完成）

1）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,选中arm_2,点击OK结束。

2）在菜单栏中点击Edit>Duplicate>AroundAxis.设置：

点击Next结束。

3）利用Ctrl+D将模型显示调整至合适大小。

ØCtrl+A选中所有设计部分并Unite组合，完成创建魔T的全部操作过程。

（6）为该问题设置求解频率及扫描范围

Ø设置求解频率

1）在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSolutionSetup.

2）在求解窗口中设置：

点击OK结束。

Ø设置扫频

1）在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSetup.

2）选择Setup1,点击OK结束。

3）在扫频窗口中设置：

4）将SaveField复选框选中点击OK结束。

（7）保存工程并命名为hfss_magicT,设计结果如下图：

图一、魔T完整模型

Ø点击菜单栏的

图标，检查设计步骤是否出错。

如下图即为仿真设计正确。

图二、软件检错界面图

Ø在菜单栏中点击HFSS>AnalyzeAll,完成仿真设计计算，出现如下图状态：

图三、魔T运算界面图

（8）后处理操作

ØS参数。

1）点击菜单栏HFSS>Result>CreateModalSolutionDataReport>RectanglePlot.

2）在Trace窗口中设置：

点击Y标签，选择Category:

Sparameter;Quantity:

S（P1P1）、S（P2P1）、S（P3P1）、S（P4P1）；Function:

dB,点击NewReport按钮完成。

ØS参数相位

1）点击菜单栏HFSS>Result>CreateModalSolutionDataReport>RectanglePlot.

2）在Trace窗口中设置：

点击Y标签，选择Category:

Sparameter;Quantity:

S（P2P1）、S（P4P1）；Function:

cang_deg点击NewReport按钮完成。

S参数曲线、S参数相位结果图如下：

图四、魔T的S参数曲线

图五、魔T的S参数相位曲线

以上为魔T微波混合接头的S参数幅值、相位曲线结果，观察可发现S（P2P1）和S（P4P1）曲线基本重合（故图中仅可直观看到3条曲线），这是满足等分要求的，因为端口2、4反相等分输出。

在中心频率4GHz时，端口1的自反射S11约为-10.4611dB,从端口1到端口2和从端口1到端口4的传输量（S21S41）为-3.4224dB,接近理想值-3dB。

而端口1到端口3的传输量S31为-54.138dB,得到充分的隔离。

而此时S（P2P1）,S（P4P1）在4GHz时的相角分别是：

-277.9960°,97.9892°,基本相差180°即反相，从幅度和相位都满足E面T的特性。

Ø场分布图

1）选中需要描绘场分布的物体，即在3D模型窗口选中整个魔T结构。

2）在菜单栏中点击HFSS>Fields>PlotFields>E>Mag_E.

3）在创建场图窗口中选择：

点击OK按钮完成。

4）修改场点的显示特性，在菜单栏中点击HFSS>Fields>ModifyPlotAttributes>EField,点击OK完成。

在E-Field窗口点击colormap标签，选择：

Spectrum>Rainbow.点击Apply按钮，然后Close按钮完成设置，实现魔T中场分布的彩虹光谱呈现。

实验结果如下图：

图六、魔T的场分布

Ø场分布的动态显示

1）在菜单栏中点击View>Animate.

2）在SweptVariable标签中接受默认设置，点击Close按钮结束，即可观察到场分布动态图。

可见，当端口1被激励，端口3几乎没有电磁波的分布，即被隔离，达到实验设计效果。