电磁场HFSS实验报告

实验一 T形波导的内场分析

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、 HFSS15.0 或更高版本软件 3、 截图软件 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。

T形波导

实验步骤

1、新建工程设置：

运行HFSS并新建工程：打开 HFSS 软件后，自动创建一个新工程： Project1，由主菜单选 File\\Save as ，保存在指定的文件夹内，命名为Ex1_Tee；由主菜单选 Project\\ Insert HFSS Design，在工程树中选择 HFSSModel1，点右键，选择 Rename项，将设计命名为 TeeModel。

选择求解类型为模式驱动（Driven Model）：由主菜单选 HFSS\\Solution Type ，在弹出对话窗选择Driven Model 项。 设置长度单位为in：由主菜单选 3D Modeler\\Units ，在 Set Model Units 对话框中选中 in 项。。 2、创建T形波导模型：

创建长方形模型：在 Draw 菜单中，点击 Box 选项，在Command 页输入尺寸参数以及重命名；在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数Transparent（透明度）将其设为0.8。Material（材料）保持为Vacuum。

设置波端口源励：选中长方体平行于 yz 面、x=2 的平面；单击右键，选择 Assign Excitation\\Wave port项，弹出 Wave Port界面，输入名称WavePort1；点击积分线 (Integration Line) 下的 New line ，则提示绘制端口，在绘图区该面的下边缘中部即（2,0,0)处点左键，确定端口起始点，再选上边缘中部即(2,0,0.4)处，作为端口终点。

复制长方体：展开绘图历史树的 Model\\Vacuum\\Tee节点，右键

点击Tee项，选择 Edit\\Duplicate\\Around Axis，在弹出对话窗的Axis项选择Z，在Angel项输入90deg，在 Total Number 项输入2，点OK，则复制、添加一个长方体，默认名为TEE_1。重复以上步骤，在Angel项输入-90，则添加第3个长方体，默认名Tee_2.

合并长方体：鼠标右键切换到物体选择状态。选中第1个长方体，按下 Ctrl键的同时选中第2、3个长方体，由主菜单选 3D Modeler\\Boolean\\Unite，则将三个长方体组合在一起，形成了一个T型接头。

创建隔片：绘制长方体：Draw/box命令任意创建一个长方体，确定位置参数：绘图工程树双击CreateBox1在属性对话窗口的 Command 页，在Position项输入-0.45in , offset-0.05in , 0in，调整长方体尺寸；由 T 型接头中减去间隔：在历史树中选择 Tee 项，按下Ctrl 键的同时再选中Septum项。由主菜单选3D Modeler\\Boolean\\Subtract ，在弹出对话窗口中，确定Tee在Blank Parts列，Septum在Tool Parts列（即将间隔从型接头中去掉），点OK完成。

3、分析求解设置：

在工程树中，找到 TeeModel\\Analysis 节点，点右键 ，选择Add Solution Setup ，弹出对话窗。在 General 标签页的Solution 项输入10，默认单位为GHz，在 Adaptive Solutions的 Maximum Number of Passes 项设为3，其它不变，点击确定。

添加扫频设置：在工程树中的Setup1项上点右键，选择Add

Frenquency Sweep，在弹出对话窗中选择General项，其它具体设置默认不变；在Type栏选择Linear Step，定义频率范围为：8～10GHz，阶长0.05GHz，点OK完成。

设计检查：主菜单选HFSS\\Validation Check，则弹出确认检查窗口，对设计进行确认。全部完成且没有错误时，点Close结束。 4、运行仿真分析：

由主菜单选HFSS\\Analyze all，对设计的模型进行三维场分析求解。求解全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。 5、查看仿真分析计算结果：

创建一个S参数的矩形曲线图；创建一个电场视图；创建动态演示场覆盖图 内场分析结果 1、

0.75图形化显示S参数计算结果

XY Plot 1TeeModalCurve Infomag(S(Port1,Port1))Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port2))Setup1 : Sweep1ANSOFT0.63mag(S(Port1,Port3))Setup1 : Sweep10.50Y10.380.250.138.008.258.508.759.00Freq [GHz]9.259.509.7510.00 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

实验总结：

外加激励求解设置分析的半波偶极子天线的中心频率在3GHz，同时添加2.5 GHz:^3.5 GHz:频段内的扫频设置，扫频类型为快速扫频。 5、设计检查和运行仿真计算

6、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2.5 GHz ^3.5 GHz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。

图39 扫描变量$l得到的方向图

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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/08u7.html