【案例分析】經(jīng)典HFSS仿真實(shí)例詳解

2016-10-08  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

關(guān)于仿真軟件HFSS相信大家多少都有聽過,這是一款非常強(qiáng)大好用的仿真軟件,已經(jīng)被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域,當(dāng)然,天線設(shè)計(jì)也離不開仿真軟件。本期小編為大家?guī)淼氖墙?jīng)典天線——對稱振子天線仿真。


下面我們先來看看軟件的簡介。


HFSS – High Frequency Structure Simulator,Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件,目前已被ANSYS公司收購;是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件,業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器,能計(jì)算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。


HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能,它可以計(jì)算天線參量,如增益、方向性、遠(yuǎn)場方向圖剖面、遠(yuǎn)場3D圖和3dB帶寬;繪制極化特性,包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。使用HFSS,可以計(jì)算:


① 基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題,近遠(yuǎn)場輻射問題;

② 端口特征阻抗和傳輸常數(shù);

③ S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù);

④ 結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解。


而且,由Ansoft HFSS和Ansoft Designer構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案,是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案,提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設(shè)計(jì)手段,覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。

下面我們先來看看建立HFSS工程的一般過程。


(1) 首先第一步是運(yùn)行Ansoft HFSS:


(2) 然后單擊下圖紅框處圖標(biāo),在當(dāng)前工程中插入一個(gè)設(shè)計(jì):






(3) 選擇求解類型,如下圖:





(4) 為建立模型設(shè)置合適的單位,如下圖:





(5) 在3D窗口中建立模型。



(6) 設(shè)置需要的輻射邊界。

(7) 如果選擇激勵(lì)求解或激勵(lì)終端求解,則需要為模型設(shè)置激勵(lì)。

(8) 設(shè)置求解頻率及掃頻操作等。

(9) 點(diǎn)擊下圖按鈕,檢查當(dāng)前工程的有效性。



(10) 點(diǎn)擊下圖按鈕,求解當(dāng)前工程。





(11) 對已求解的工程創(chuàng)建結(jié)果報(bào)告。




以上就是建立HFSS工程的一般過程,我們進(jìn)入正題:對稱振子天線仿真。


對稱振子天線不僅是一種結(jié)構(gòu)簡單的基本天線,而且是一種經(jīng)典的、迄今為止采用最廣泛的天線。單個(gè)半波對稱振子可以簡單地單獨(dú)使用或做拋物面天線的饋源,也可采用多個(gè)半波對稱振子組成天線陣。兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長,全場為二分之一波長的振子,稱半波對稱振子。


仿真過程如下:



1、 建立新的工程。


2、 設(shè)置求解類型




3、 設(shè)置模型單位






4、 設(shè)置模型默認(rèn)材料



在工具欄中設(shè)置模型的下拉菜單中點(diǎn)擊Select ,在設(shè)置材料窗口中選擇copper材料。


5、 創(chuàng)建對稱振子模型



(1) 創(chuàng)建ring_1。

在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Cylinder,畫一個(gè)半徑0.31高5的圓柱體(命名ring_inner)




然后使用相同的命令與方法在同一中心坐標(biāo)點(diǎn)位置畫出另一個(gè)圓柱體(命名ring_1),半徑0.37高5,再使用命令3D Modeler>boolean>subtract ,用大圓柱體減去小圓柱體(如下圖)



效果圖如下:




(2) 使用相同的辦法創(chuàng)建ring_2




圓柱中心坐標(biāo)相同,大圓柱半徑0.5,小圓柱半徑0.435,高度都是5

效果如下圖:



(3) 創(chuàng)建Arm_1


在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Box;

然后在右下角的坐標(biāo)欄輸出長方體的起始點(diǎn)位置坐標(biāo)。

X:-0.1 Y:-0.31 Z:5.0

接著輸入長方體X、Y、Z三個(gè)方向尺寸。

dX:0.2 dY:-4.69 dZ:-0.065

并命名為Arm_1

模型如下:



(4) 創(chuàng)建Center pin





模型如下圖:






(5) 創(chuàng)建Arm_2




在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Box;

然后在右下角的坐標(biāo)欄輸出長方體的起始點(diǎn)位置坐標(biāo)。

X:-0.1 Y:0.0 Z:5.1

接著輸入長方體X、Y、Z三個(gè)方向尺寸。

dX:0.2 dY:5.0 dZ:-0.065

并命名為Arm_2

模型如下圖:



(6) 創(chuàng)建Grounding pin




模型如下:




6、 創(chuàng)建波端口




(1)創(chuàng)建波端口圓面模型


(2)設(shè)置波端口。




7、 創(chuàng)建輻射邊界




(1) 設(shè)置默認(rèn)材料

在工具欄中設(shè)置模型的默認(rèn)材料為真空(vacuum)。


(2) 創(chuàng)建Air

Draw>Box

坐標(biāo)如下:

X:-5 Y:-10.0 Z:0.1

接著輸入長方體X、Y、Z三個(gè)方向尺寸。

dX:10.0 dY:20.0 dZ:12.0

并命名為Air

(3) 設(shè)置輻射邊界

選剛剛畫的盒子Air;

在菜單中點(diǎn)擊HFSS >Boundaries>assign>Radiation,然后單機(jī)OK。

8、 創(chuàng)建地板


(1) 在菜單中點(diǎn)擊Edit>Select>faces;

(2) 選擇Air中Z=0的下底面

(3) HFSS >Boundaries>assign>Finite Conductivity

設(shè)置如下圖:



9、 輻射場角度設(shè)置



(1) 在菜單中點(diǎn)擊HFSS > Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。


設(shè)置如下圖:



10、 設(shè)置求解



為該問題設(shè)置求解頻率及掃頻范圍。


(1) 設(shè)置求解頻率。

在菜單中點(diǎn)擊HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。

設(shè)置如下圖:



(2) 設(shè)置掃頻



HFSS>Analysis Setup>Add Solution Sweep。

設(shè)置如下圖:



11、 求解該工程


在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Analyze.


12、 后處理操作

(1)S參數(shù)



導(dǎo)出圖如下:





對稱振子的反射系數(shù)曲線圖



從圖中能讀出,天線工作的中心頻率為0.55GHz,反射系數(shù)約為-16.03dB


(2)2D輻射遠(yuǎn)場



導(dǎo)出圖如下:





從圖中讀出,天線最大輻射方向出現(xiàn)在俯角θ=0處(正Z方向)



小編在這里先謝過耐心讀完全文的各位小伙伴~希望這些干貨能對大家有所幫助!







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