1、微波技術與天線HFSS仿真實驗報告實驗二 H面T型波導分支器設計專業電子信息工程年級14級姓名趙廣元學號1428403058指導老師評分一仿真實驗內容和目的使用HFSS設計一個帶有隔片的H面T型波導分支器，首先分析隔片位于T型波導正中央，在810GHz的工作頻段內，波導輸入輸出端口的S參數隨頻率變化的關系曲線以及10GHz時波導表面的電場分布；然后通過參數掃描分析以及優化設計功能分析在10GHz處輸入輸出端口的S參數隨著隔片位置變化而變化的關系曲線；最后利用HFSS優化設計功能找出端口三輸出功率是端口二輸出功率兩倍時隔片所在位置。2 設計模型簡介整個H面T型波導分為兩個部分：T型波導模型，隔片

2、。見圖1。圖13 建模和仿真步驟1. 運行HFSS并新建工程，把工程另存為Tee.hfss。2. 選擇求解類型：主菜單HFSSsolution typedriven modal，設置求解類型為模式驅動。3. 設置長度單位：主菜單modelerunitsin，設置默認長度單位為英寸。4. 創建長方體模型1）從主菜單選擇drawbox，進入創建長方體模型的工作狀態，移動鼠標到HFSS工作界面的右下角狀態欄，在狀態欄輸入長方體的起始點坐標為（0，-0.45,0），按下回車鍵確認之后在狀態欄輸入長方體的長寬高分別為2,0.9，0.4。2）再次按下回車鍵之后，在新建長方體的屬性對話框修改物體的位置，尺寸

3、，名稱，材料和透明度等屬性。在attribute選項卡中將長方體名稱項（name）修改為Tee，材料屬性（material）保持為真空（vacuum）不變，透明度（transparent）設置為0.4。3）設置端口激勵4）復制長方體第二個和第三個臂5）合并長方體5.創建隔片1）創建一個長方體并設置位置和尺寸2）執行相減操作上訴步驟完成后即可得到H面T型波導的三維仿真模型圖如圖2所示圖26. 分析求解設置1） 添加求解設置：在工程管理窗口中展開工程并選中analyse節點，單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇add solution type并設置相關參數，完成后工程管理窗口的analyse節點下會

4、添加一個名稱為setup1的求解設置項2） 添加掃頻設置：在工程管理窗口中展開analysis節點，右鍵單擊前面添加的setup1求解設置項，在彈出菜單中單擊add frequency sweep，并設置sweep name，sweep type，等參數。Frequency setup項作表1所示的設置。TypeLinearsetupStart8GHzStop10GHzStep size0.01GHz表13） 設計檢查7. 運行仿真分析：HFSSanalyze all4 仿真結果分析1. 圖形化顯示S參數計算結果圖3為S11，S12，S13幅度隨著頻率變化的曲線。從圖中可以看出，隨著頻率的增加

5、，S11，S12的幅度略有降低，S13的幅度有明顯上升。圖32. 查看表面電場分布圖4位T型波導上表面場分布情況，圖5為動態演示場分布圖。從場分布圖中可以看出，信號從端口1進入，分別從端口2和端口3輸出。通過調整隔片的位置可以調節從端口1傳輸到端口2，端口3的信號能量大小。圖4-T型波導上表面場分布情況圖5-動態演示場分布圖五參數掃描研究使用HFSS optimetrics模塊的參數掃描分析功能，分析T型波導端口的輸出功率和隔片位置之間的關系。功率分配隨變量offset變化的關系如圖6：圖6-功率分配隨變量offset變化關系六優化設計添加優化設計項，進行優化設計，找出端口3的輸出功率是端口2

6、輸出功率兩倍的隔片位置。優化分析完成之后，在table列表里會列出變量offset優化后的最佳值。本例中，從圖7優化結果中可以看出，當變量offset=0.96in時，T型波導端口3的輸出功率是端口2的輸出功率的兩倍。圖77 總計和思考通過本次實驗，對HFSS的工作界面，操作步驟以及工作流程有了一個整體的直觀的認知。期待在后面的實驗中，通過不斷的深入學習，進一步理解設計的原理。微波技術與天線HFSS仿真實驗報告實驗三 半波偶極子天線設計專業電子信息工程年級14級姓名趙廣元學號1428403058指導老師評分一仿真實驗內容和目的使用HFSS設計一個中心頻率為3GHz的半波偶極子天線。并查看天線的

7、回波損耗，電壓駐波比，Smith圓圖，輸入阻抗，以及方向圖等其他參數。2 設計模型簡介整個半波偶極子由偶極子天線和輻射邊界組成，如圖1。天線各部分的結構尺寸見表1.圖1變量意義變量名變量值（單位：mm）工作波長Lambda100天線總長度length0.48*lambda端口距離gap0.24單個極子長度dip_lengthlength/2-gap/2天線半徑dip_radiuslambda/200輻射邊界圓柱體半徑rad_radiusdip_radius+lambda/4輻射邊界圓柱體高度/2rad_heightdip_length+gap/2+lambda/10表13 建模和仿真步驟5.

8、新建設計工程1）運行HFSS并新建工程，把工程另存為dipole.hfss。2）選擇求解類型：主菜單HFSSsolution typedriven modal，設置求解類型為模式驅動。3）設置模型長度單位：主菜單modelerunitsmm，設置默認長度單位為毫米。2.添加和定義設計變量1）從主菜單選擇HFSSdesign properties命令，打開設計屬性對話框添加變量Lambda2）使用相同的操作步驟定義變量length，gap，dip_length，dip_radius，rad_radius，rad_height，并設置初始值分別為0.48*lambda，0.24，length/2-

9、gap/2，lambda/200，dip_radius+lambda/4，dip_length+gap/2+lambda/10。3.設計建模1）創建偶極子天線模型2）設置端口激勵3）設置輻射邊界條件4.求解設置：分析的半波偶極子的天線在3GHz附近，所以設置求解頻率為3GHz，同時添加2.5GHz3.5GHz的掃頻設置，掃頻類型選擇快速掃頻，分析天線在2.5GHz3.5GHz頻段內的回波損耗和電壓駐波比。1）求解頻率和網格剖分設置：設置求解頻率為3GHz，自適應網絡剖分的最大迭代次數為20，收斂誤差為0.02。2）掃頻設置：掃頻類型選擇快速掃頻，掃頻頻率范圍為2.5GHz3.5GHz，頻率步進

10、為0.001GHz。5.設計檢查和運行仿真計算4 仿真結果分析1. 回波損耗從圖2可以看出，設計的偶極子天線的中心頻率約為3GHz,S11<-10dB的相對帶寬BW=（3.249-2.789）/3=15.3%。圖22. 電壓駐波比VSWR由圖3可以看出,在中心頻率為3GHz時，電壓駐波比約為1.圖33. Smith圓圖從Smith圓圖的結果圖4可以看出，在中心頻率為3GHz時的歸一化阻抗約為1，說明天線的端口阻抗匹配良好。VSWR<2（即反射系數|T|<1/3）的頻率范圍約為2.78GHz-3.27GHz.圖44. 輸入阻抗從結果報告圖5中可以看出，設計的半波偶極子天線在中心

11、頻率3GHz上，輸入阻抗為（72.8-j0.4），和理論分析結果十分相近。圖55. 方向圖1） 半波偶極子XZ面的增益方向圖如圖6圖62） 半波偶極子XY面的增益方向圖如圖7圖73） 三維增益方向圖如圖8圖85 總結和思考本次實驗在第一次實驗的基礎上查看了天線的回波損耗，電壓駐波比，Smith圓圖，輸入阻抗，以及方向圖等其他參數。對這些參數的分析更加深刻的體會到了HFSS強大的仿真功能，對相關模型的參數分析也幫助自己進一步理解了模型分析的原理。微波技術與天線HFSS仿真實驗報告實驗四 八木-宇田天線設計專業電子信息工程年級14級姓名趙廣元學號1428403058指導老師評分一仿真實驗內容和目的

12、學習理解八木天線的原理及結構，設計一個中心頻率為3GHz的五元八木天線，根據給定的增益、波瓣寬度、福瓣寬度、前后輻射比、駐波比以及工作帶寬確定天線的振子數、各振子長度及直徑、各振子間的間距等幾何尺寸。二設計模型簡介設計模型如圖1，有源振子采用圓柱形對稱偶極子，偶極子采用集總波端口激勵；反向器和引向器均為金屬圓柱，振子垂直于xy平面，天線的引向器指向y軸的正方向，金屬振子材料為鋁；選擇長方形作為輻射空氣腔并設置輻射邊界。該天線的工作頻率為3GHz，所以我們設置求解中心頻率為3GHz，并設置掃頻范圍為2.5-3.5GHz。定義的相關設計變量如表1。圖1-五元八木天線的結構八木天線的結構尺寸：變量意

13、義變量名變量值（單位：mm）工作波長lambda100反射器長度LR0.5*lambda偶極子長度L00.475*lambda反射器1長度L10.4*lambda反射器2長度L20.37*lambda反射器3長度L30.34*lambda反射器和偶極子間距dR0.18*lambda偶極子與第一個引向器間距d10.18*lambda第一個引向器間距與第二個引向器間距d20.18*lambda第二個引向器間距與第三個引向器間距d30.21*lambda圓柱體半徑rad0.01*lambda激勵端口平面高度gap0.4表1三建模和仿真步驟1. 新建HFSS工程設計并保存1) 創建新工程并命名為Mod

14、el_Antenna2) 設置求解類型3) 模型長度單位2. 建模的相關選項設置3. 定義設計變量4. 設置模型的默認材料5. 創建有源對稱振子1）創建對稱振子的單臂模型2)復制生成偶極子的另一個臂6. 創建反射器模型7. 創建3個引向器的模型8. 設置集總端口激勵1)創建端口激勵平面2)設置集總端口激勵的積分線9. 設置輻射邊界條件1)創建長方體空腔2)設置輻射邊界條件10. 仿真的基本設置1)求解設置2)掃頻設置：2.5GHz-3.5GHz,步長0.1GHz3)仿真有效性驗證及分析計算四仿真結果分析1.天線S11參數的掃頻曲線由圖2可以看出，八木天線的諧振點位于2.8GHz左右。與期望的中

15、心頻率3GHz還存在一定差距。圖2-天線S11參數的掃頻曲線2.電壓駐波比曲線圖3-電壓駐波比曲線5 參數掃描分析1. 對變量dR進行掃描分析由圖4掃描分析結果可以看出，不同dR值對應的S11掃頻曲線諧振點均位于2.8GHz左右。與期望的中心頻率3GHz還存在一定差距。圖4-不同dR值對應的S11掃頻曲線2. 對變量L0進行掃描分析由圖5可以看出，天線諧振頻率隨有源振子的長度增加而降低。當L0=44.5mm時，諧振頻率約為3GHz.圖5-不同L0對應的S11掃頻曲線6 優化設計1. 指定優化變量：將L0指定為優化變量，優化范圍為43.5mm-45mm。2. 添加優化設置3. 進行優化設計4. 查看優化結果:由圖6可知HFSS優化設計一共進行了20次的迭代計算，其中第七次迭代計算的目標函數S11的數值最小，為44.440.圖65.應用并查看優化后的天線指標1） 天線的S11參數：由圖7可見，S11的最小值位于3GHz處，最小值為-15.8dB,實現了天線在3GHz時的諧振。圖7-天線S11的參數掃頻曲線2） 天線的三