HFSS天线设计有限元方法

四、HFSS的使用与实例1、HFSS的安装：依次安装:HFSSSCAPLIB然后安装补丁：见后图并复制license.lic to Admin 2、HFSS的应用：以实例说明：实例1：探针馈电的贴片天线创建一个工程 注意检查：a)ToolsOptionsHFSS Options b)ToolsOptions3D Modeler OptionsCheck it 设置求解类型：HFSSSolution TypeDriven Tenminal模式驱动：计算以模式为基础的S参数，根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩阵的解，波导、天线、散射场等多用这个模式。这是种从场的方式进行仿真分析，给出的是功率。终端驱动：计算以终端为基础的多导体传输线端口的S参数，此时，根据传输线终端的电压和电流表示S参数矩阵的解， 微带类用这个比较多。这是种从路的角度仿真分 析，给出的是电压电流，而集中端口就是通过RLC参数计算阻抗。本征模：计算某一结构的本征模式或谐振，本征模求解器可以求出该结构的谐振频率以及这些谐振频率下的场模式。 建模过程：（1）设置模型单位：3D ModelerUnits选择cmOK2) 选择模型材料：在search材料框中输入 rogers RT/等选择5880材料 3）建立基底：DrawBox在底部的坐标输入框中输入坐标,确认后在属性对话框中输入基底名称SUB1，键入CTRL+D，缩小全部显示基底（-5，-4.5, 0）回车（10, 9， 0.32）回车键入Sub1 键入Ctrl+D 4）建立infinite ground：DrawRectangle在底部的坐标输入框中输入坐标,确认后在属性对话框中输入地的名称inf_gnd，Ok, 然后键入CTRL+D，缩小全部显示基底 （-5，-4.5, 0）回车（10, 9， 0）回车 5）设置地的边界条件：EditSelectby name选择inf_gndokHfssBoundariesAssignPerfect E输入名称perf_gnd,确认infinite ground plane 被checkedok 6）在地上打孔并完成地的设计： Drawcircle输入圆盘位置坐标（-0.5, 0，0）和半径（0.16, 0, 0）ok取名cut_out，确认。同时选择(按住ctrl键点鼠标选择）inf_gnd和cut_out, ok3D Modeler Boolean Subtract如图选择blank和tool parts，ok地就建好了。 7）贴片设计：Drawrectangle输入坐标（-2，-1.5，0.32）确认输入增量（4, 3, 0）确认输入贴片名称patch 8）设置贴片的电特性，完成贴片设计：EditSelect by name选择patchokHFSSBoundariesAssignPerfect E输入名称： Perf_patch确认。 9）馈电同轴线建模：首先设置默认材料为真空DrawCylinder输入位置坐标（-0.5, 0, 0）回车，半径（0.16, 0, 0）回车同轴线长度（0, 0，-0.5）回车从properties 窗口中输入名称 coax按住ctrl+alt,拖动鼠标变换视角 选择默认材料为pec，建立同轴线的轴心Drawcylinder输入柱位置坐标（-0.5, 0, 0）柱半径（0.07, 0, 0）柱长（0, 0, -0.5）确认输入名称coax_pinok 10）创建波端口激励DrawCircle输入端口面的位置坐标（-0.5,0，-0.5）输入半径（0.16,0,0）命名为port1，确认选择port1,设置激励HFSSExcitationsAssignWave prot 设置端口名p1,点击下一步 终端数目：1从终端线中选择new line出现下列对话框，并在底部的坐标输入框中输入矢量线的位置坐标始点（-0.34,0，-0.5）长度为（-0.09,0,0）确认，下一步到完成即可。 说明两点：（1）两种波端口加法：Wave port：假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与端口相同的截面和材料，每个端口都是独立的激励并且在端口中每一个入射模式的平均功率为1瓦。Lumped port：这种激励避免建立一个同轴或者波导激励，从而在一定程度上减轻了模型量，也减少了计算时间。Lumpport也可以用一个面来代表，要注意的是对该port的校准线和阻抗线的设置一定要准确，端口在空间上一定要与其他金属（或者电面）相连，否则结果记忆出错。（2）本例中波端口新线的定义位置示意0.07 0.16中心位置坐标是-0.5，所以外径的位置是：-0.5+0.16=-0.34指向轴心的长度为：0.16-0.07=0.09 矢量线的位置坐标始点（-0.34,0，-0.5）长度为（-0.09,0,0） 11）创建探针（probe)，完成贴片天线设计DrawCylinder输入坐标（-0.5,0,0）半径（0.07,0,0）长度（0,0,0.32）确认命名为probe即可。 12）创建辐射边界条件首先选择真空材料Drawbox输入辐射边界的位置坐标（-5，-4.5,0）长宽高（10, 9, 3.32）确认命名为air，Ctrl+D 缩小观察尺寸 下边设置辐射边界条件：Editselectfaces选择air的5个面，除了底面。HFSSboundariesradiation命名为rad1,确认即可 13）设置辐射场分析条件HFSSradiationinsert far field setupinfinite sphere在对话框中如图选择参数确定 14）创建分析设置HFSSanalysis setupadd solution setup选择General tab求解频率：2.25GHz最大迭代处理阶段数：20（即hfss完成仿真的最大迭代次数，如果在这个次数之内达到了delta S的收敛值，就可以认为达到计算要求，否则会要求修正收敛精度和迭代次数）每个阶段的最大delta S: 0.02（即收敛精度，这个与端口设计有关，是两个连续迭代求解S参数的数量变化的收 敛值，即如果两次迭代过程的S参数的数量变化和相位变化均小于这个设定值，那么自适应分析求解就会停止，否则将继续修改网格，直到在规定的迭代次数内达到精度要求为止，否者结果是发散的，不能用） 继续加人频率计算范围：HFSSanalsis setupadd sweepok如图编辑sweep 窗口： 保存工程，即可开始经行求解分析。 15）求解分析模型检查：HFSSValidation check分析开始：HFSSanalyze查看求解结果的敛散性：HFSSresultssolution data 创建输出数据报表：a) S参数特性：如图操作：确认即可： 在图中点鼠标右键可mark all trace,找到最小值的频率和带宽。S11的定义：就是端口1的反射系数，定义为反射电压和入射电压的比值。如果从功率角度讲，可以理解为反射功率/入射功率，即回波损耗。与驻波比和反射系数的关系是： 111111 SVSWR S 112, 10VSWR S dB 由于天线与馈线的阻抗不匹配或者天线与发射机的阻抗不匹配，高频能量反射，并与前行波干扰形成驻波。当完全匹配时，反射系数为0，驻波比为1，这是理想状态。 b)远区辐射场特性创建求解报告如图示：如图设置输出参数 1、dBm dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。 例1 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。 例2 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为： 10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。 有关增益单位的定义： 2、dBi 和dBd dBi和dBd是考征增益的值（功率增益），两者都是一个相对值， 但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子，所以两者略有不同。一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2. 15。 例3 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数位，为18dBi）。 例4 0dBd=2.15dBi。 例5 GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi），GSM1800天线增益可以为15dBd（17dBi)。 3、dB dB是一个表征相对值的值，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）是说，甲的功率比乙的功率大3 dB。 例7 7/8 英寸GSM900馈线的100米传输损耗约为3.9dB。 例8 如果甲的功率为46dBm，乙的功率为40dBm，则可以说，甲比乙大6 dB。 例9 如果甲天线为12dBd，乙天线为14dBd，可以说甲比乙小2 dB。