HFSS微波仿真实验实验报告六合一.docx
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HFSS微波仿真实验实验报告六合一
肇庆学院12通信2班杨桐烁201224124202
实验一 T形波导的内场分析和优化设计
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、HFSS13.0或更高版本软件
3、截图软件
T形波导的内场分析
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。
实验步骤
1、新建工程设置：
运行HFSS并新建工程、选择求解类型、设置长度单位
2、创建T形波导模型：
创建长方形模型、设置波端口源励、复制长方体、合并长方体、创建隔片
3、分析求解设置：
添加求解设置、添加扫频设置、设计检查
4、运行仿真分析
5、查看仿真分析计算结果
内场分析结果
1、图形化显示S参数计算结果
图形化显示S参数幅度随频率变化的曲线
2、查看表面电场分布
表面场分布图
3、动态演示场分布图
T形波导的优化设计
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输出功率的两倍。
实验步骤
1、新建一个优化设计工程
2、参数扫描分析设置和仿真分析：
添加参数扫描分析项、定义输出变量、运行参数扫描分析
3、优化设计：
添加优化变量、添加目标函数、设置优化变量的取值范围、运行优化分析。
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优化范围的最大值为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优化范围的最小值可以取0英寸。
优化设计结果
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。
实验二HFSS仿真对称振子天线
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、 掌握对称振子天线的设计方法、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、HFSS13.0或更高版本软件
3、截图软件
实验步骤
1、新建一个优化设计工程
2、参数扫描分析设置和仿真分析：
添加参数扫描分析项、定义输出变量、运行参数扫描分析
3、优化设计：
添加优化变量、添加目标函数、设置优化变量的取值范围、运行优化分析。
实验数据
表1对称振子天线三维体模型
名称
形状
顶点（x,y,z）（mm）
尺寸（mm）
材料
arm1
圆柱体
（0,0,0.5）
radius=$r，height=$l
Pec
arm2
圆柱体
（0,0,-0.5）
radius=$r，height=-$l
Pec
airbox
长方体
（-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$l）
xsize=2*$lbd/3+2*$r
ysize=2*$lbd/3+2*$r
zsize=2*$lbd/3+2*$l
vacuum
表2对称振子天线二维面模型
名称
所在面
形状
顶点（mm）
尺寸（mm）
边界/源
feed
xz
矩形
（-$r,0,-0.5）
dx=2*$r,dz=1
Lumpedport
表3变量表
变量名
变量初始值（mm）
变量值（mm）
$lbd
100
$l
25
25（50,75,100）
$r
1
1（2,3,4）
实验步骤
1、新建一个优化设计工程
2、参数扫描分析设置和仿真分析：
添加参数扫描分析项、定义输出变量、运行参数扫描分析
3、优化设计：
添加优化变量、添加目标函数、设置优化变量的取值范围、运行优化分析。
实验步骤
1.打开HFSS，新建工程，将工程保存为dipole。
2设置求解类型。
3设置单位。
4画对称振子的一支臂，形状为圆柱体，命名为arm1，材料设置为理想导体，半径设置为变量$r，臂长设置为变量$l。
5画馈电模型，形状为zx面上的矩形，命名为feed，设置为lumpedport激励方式。
6画辐射箱，命名为airbox，形状为长方体，材料为真空，边界条件为radiation。
7设置求解频率3GHz，扫频1-5GHz。
8检查及运行计算
9画电流分布
10画S参数曲线
11画阻抗曲线
12画方向图
13扫描变量$l
实验结果
图airbox及天线
图振子上电流幅度分布
图|S11|曲线
图24阻抗曲线
。
图29二分之一波长对称振子三维增益图
图二分之一波长对称振子E面方向图
图S参数随$r变化曲线
图36$r=2mm，S参数随$l变化曲线
图39扫描变量$l得到的方向图
实验三HFSS微带天线仿真设计
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、 掌握微带天线仿真设计原理和方法。
实验仪器
1、装有windows系统的PC一台
2、HFSS13.0或更高版本软件
3、截图软件
实验原理
微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。
一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。
例如微带电路的开路端，结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会产生电磁辐射（泄漏）。
当频率较低时，这些部分的电尺寸很小，因此电磁泄漏小；但随着频率的增高，电尺寸增大，泄漏就大。
再经过特殊设计，即放大尺寸做成贴片状，并使其工作在谐振状态。
辐射就明显增强，辐射效率就大大提高，而成为有效的天线。
实验步骤
1、创建微带天线模型：
设置默认的长度单位、建模相关选项设置、添加和定义设计变量、创建介质基片、创建辐射贴片、创建参考地、创建同轴馈线的内芯、创建信号传输端口面
2、设置边界条件和激励：
设置边界条件、设置辐射边界条件、设置端口激励
3、求解设置：
求解频率和网格剖分设置、扫频设置
4、设计检查和运行仿真分析：
设计检查、运行仿真分析
5、参数扫描分析：
添加参数扫描分析项、运行参数扫描分析、查看分析结果
6、查看仿真分析结果
实验结果
1、查看天线回波损耗
分析：
从图中可以看出设计的微带天线谐振频率在2.45GHz附近，且在2.45GHz频点上的回波损耗值为20.7dB左右。
2、分析谐振频率随辐射贴片长度L0的变化关系
分析：
从图中可以看出，随着长度L0值的增加，天线的谐振频率逐渐降低。
当L0=27.5mm时，谐振频率为2.44GHz；当L0=28mm时，谐振频率为2.48GHz；所以2.45GHz谐振频率对应的L0长度介于27.5mm~28.mm。
3、分析谐振频率随辐射贴片长度W0的变化关系
分析：
从上图所示分析结果可以看出，辐射贴片宽度W0由30mm变化到40mm时，天线的谐振频率变化很小，即天线的谐振频率不随辐射贴片宽度变化而变化。
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。
实验四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、HFSS15.0
3、截图软件
实验原理
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。
，
长度为I。
两臂之间的间隙很小，理论上可以忽略不计，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:
式中，Im为天线上波腹点的电流;IC=W}C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。
图2对称振子辐射场的计算
如图2所示，电流元I（z）所产生的辐射场为
5、方向函数
实验步骤
1、设计变量（以表格的形式列出来）
设置求解类型为DrivenModel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行于YZ面的矩形面作为激励端口平面。
4、设置辐射边界条件（截图）
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在3G日z，同时添加2.5G日:
^3.5G日:
频段内的扫频设置，扫频类型为快速扫频。
6、设计检查和运行仿真计算
7、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。
图中所示是在2.5G日z^3.5G日z频段内的回波损耗，设计的偶极子天线中心频率约为3GHz,S11<-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，是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。
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|G|=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:
由图可以看到，电场方向以Z轴为对称轴，在XOY平面上电场最强，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:
这张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。
6、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。
实验分析
设计一个天线，无论是作为发射天线还是接收天线，我们都很关心其方向参数、输入阻抗参
数、增益参数、频带宽度等参数。
这里也主要就上诉几个参数来讨论半波偶极子天线的优缺
点。
1、半波偶极子天线在轴向无辐射
2、半波偶极子天线的辐射与其电长度密切相关。
当电长度小于0.5时，波瓣宽度最窄，在
垂直与轴向的平面内辐射最强，随着电长度的增加，开始出现副瓣，主瓣宽度变宽，最
大辐射方向发生偏移。
3、半波偶极子天线的输入阻抗受频率影响很剧烈，说明宽频带时其较难实现负载匹配，所以相对应的频带宽度也较窄。
4、在谐振频率附近时，我们从图中可以看到，天线的输入阻抗接近传输线的特性阻抗，实现匹配较易，而且在中心频率附近，电波的传输特性也最好，从而可以实现较大效率的功率传输。
5、通过对实验得到结果的分析，不难发现，半波偶极子天线的诸多特性与电长度关系很大，所以可以通过调整天线的电长度来实现不同功能和要求的半波偶极子天线应用。
6、最后还要补充一点:
半波偶极子的输入阻抗还与天线的粗细有关。
实验总结
通过本次日「SS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。
另外，这次实验中我感觉较难的部分在与如何通过确定一种具体天线的参量模型来模拟设计天线模型，来仿真验证天线特性。
实验五微带犬线
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、 掌握微带犬线仿真设计原理和方法。
实验仪器
1、装有windows系统的PC一台
2、HFSS13.0或更高版本软件
3、截图软件
实验原理
微带犬线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，它是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片，一面全部敷以金属薄层作接地板而成。
辐射片可以根据不同的要求设计成各种形状·。
微带天线由于具有质量轻、休积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。
1微带天线结构
是一个简单的微带贴片天线的结构示意图，由辐射元、介质层和参考地三部分组成。
与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L,辐射元的宽度W,、介质层的厚度h、介质的相对介电常数拭和损耗正切阶次介质层的长度LG和宽度WG
如果介质基片中的场同时沿宽度和长度方向变化，这时微带天线应该用辐射贴片周用的4个缝隙的辐射来等效。
2微带天线的馈电
微带天线有多种馈电方式，如微带线馈电、同轴线馈电、藕合馈电CCoupledFeed）和缝G}!
馈电（SlotFeed）等，其中最常用的是微带线馈电和同轴线馈电两种馈电方式。
本章将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电。
同轴线锁电又称为背馈，『已是将同轴插座安装在接地板上，同轴线内导体穿过介质基片接在辐射贴l}.f:
.，如图10.3所示，寻取正确的馈电点的位置就可以获得良好的匹配。
3矩形微带天线的特性参数
1.微带辐射贴片尺寸估算
设计微带大线的第·步是选择合适的介质基片，然后再估算出辐射贴片的尺寸。
假设介质的介电常数为Er，对一于工作频率f的矩形微带大线，’可以用F式没计出高效率辐射贴片的宽度*，即:
式中，c是光速。
辐射贴片的长度一般取为儿12，这里，凡是介质内的泞波波长，即:
考虑到边缘缩短效应后，实际_卜的辐射单元长度L应为:
式中，se是有效介电常数，鱿是等效辐射缝隙长度，可以分别用下式计算:
2.同轴馈点位置的估算
对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片长度L和宽度w之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈点的位置会影响天线的输入阻抗。
在主模TM10工作模式下，在宽度w方向上电场强度不变，因此馈电点在宽度、方向的位移对输入阻抗的影响很小，但在宽度方向卜偏离中心位置时，会激发TM10模式，增加天线的交叉极化辐射，因此宽度方向r.馈电点的位置一般取在中心点（y=07}馈电点在矩形辐射贴片长度L方向边缘处（（x=}L12）的输入阻抗最高，约为tOa到400欧姆之间，而在辐射贴片的几何中心点（x!
0}y=0）处的输入阻抗则为零，因此在长度L方向上，从辐射贴片的几何中心到两侧输入阻抗由零逐渐增大:
对于如图10.3所示的同轴线馈电的微带贴片天线，由下式可以近似v}一算出输入阻抗为50欧姆时的馈电点的位置:
3.辐射场
如前所述，矩形微带天线可以视作一段长L为iJ2的低阻抗微带传输线，它的辐射场被认为是由传输线两端开路处的缝隙所形成的。
因此，矩形微带天线可以等效为长w.宽方、间距为L的二元缝隙天线阵。
单个缝隙天线的方向性函数为:
因此，矩形微带天线的辐射场只需在单缝隙大线的表达式中乘以二元阵的阵因子就可以了。
这样，矩形微带天线的方向性函数可以表示为:
工程设计中关心的多是F面（=90）和H面（φ=90）方向图，于是由式（10.1.10）可得E面的力向性函数为:
考虑到kh<<1,则式（4-1-9）可以近似写为:
H面的方向性函数为:
4.方向性系数
根据方向性系数的定义，可以给出微带大线的方向性系数为:
本章设计的矩形微带人线工作于ISM颂段，其中心频率为2.45GHz;无线局域网（WLAN）,蓝牙、ZigBee等无线网络均1.作在该频段上。
介质摧片采用厚度为1.6mm的FIt4环氧树脂（FR4Epoxy）板，其相对介质常数ε=4.4，天线使用50欧姆同轴线馈电。
下面根据10.1节给出的推导公式来计算微带天线的几何尺寸，包括贴片的长度L,宽度W和同轴线愤点的位置
1.矩形贴片的宽度W
把c=3.Ox10^8m/s,f0=2.45CrHz,ε=4.4代入式（10-1-1）可以计算出微带天线矩形贴片的宽度，
2.有效介电常数&
把h=1.6mm,W=37.26mm,ε=4.4代入式（10-1-4），可以计算出有效介电常数，即
3.辐射缝隙的长度△L
把h=1.6mm,W=37.26mm,ε=4.08代入式（10-1-5），可以计算出微带天线辐射缝隙的一长度，
4.矩形贴片的长度△L
把c=3.0x10^8m/s.f0=2.45GHz,=4.}8,△L=1.12mm代入式〔10-1-3）,可以计算出微带天线
矩形贴片的长度，即
5.同轴线馈点的位置
把ε=4.4,W=37.26mm,L=28.C37mm代入式（10-1-7）和式{10-1-6）计算出50欧姆匹配点的
近似位置，即
实验步骤
1.新建工程
2.添加自定义变量
3.设计建模
4.设置边界条件
5.设置端口激励
6.求解设置
7.设计检查和运行仿真计算
实验结果及其截图:
1.原实验结果
（1）建模完成：
（2）.确认设计，通过ValidationCheck：
（3）．查看天线的谐振频率:
（4）参数扫描分析寻找谐振频率
（5）调节阻抗获得最佳匹配性能
实验感想：
通过本次实验我更熟练的掌握HFSS软件的操作及对天线设计的要求
实验六HFSS谐振腔仿真分析
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、 掌握谐振腔仿真分析。
实验仪器
1、装有windows系统的PC一台
2、HFSS13.0或更高版本软件
3、截图软件
实验原理
一般的微波腔体谐振器是由导体制成的封闭的空腔，电磁波在其中连续反射，如果模式和频率合适，就会产生驻波，即发生谐振现象。
由于导体空腔谐振器是封闭系统，全部电磁场能量被限制在腔体内部，腔体本身无辐射损耗，且谐振腔属于分布参数电路，电路的表面积增加使其导体损耗减小，因此谐振腔的品质因数较集总参数谐振电路高得多。
实验步骤
1、创建圆形谐振腔模型：
设置默认的长度单位、建模相关选项设置、创建圆形谐振腔体模型、
2、边界条件和激励：
3、求解设置
4、设计检查和运行仿真分析
5、参数扫描分析
实验结果
1、谐振频率和品质因数Q
2、腔体内部电磁场的分布
绘制模式1在腔体横截面上的电场和磁场分布
电场分布
磁场分布
绘制模式1在腔体垂直截面上的电场和磁场分布
电场分布
磁场分布
绘制模式2在腔体横截面上的电场和磁场分布
电场分布
磁场分布
绘制模式2在腔体垂直截面上的电场和磁场分布
电场分布
磁场分布
参数扫描分析
模式1和模式2的频率随变量Height的变化曲线
分析：
从上图分析结果可以看出，随着介质圆柱的逐渐升高，模式1和模式2的谐振频率逐渐降低，通过改变介质圆柱的高度即可以改变圆形腔体内部的谐振频率。
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。
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