HFSS天线设计-有限元方法(1)

[例9] 如果甲天线为12dBd，乙天线为14dBd，可以说 甲比乙小2 dB。
实例2：缝隙耦合贴片天线
尺寸参数：
Patch:4*3cm
Sub:12*9*0.32cm
Permittivity:2.2
Feedline:7*0.495cm Slot:0.155*1.4cm
同样注意检查： a)Tools>Options>HFSS Options b)Tools>Options>3D Modeler Options
四、HFSS的使用与实例
1、HFSS的安装：
依次安装: HFSS SCAP LIB 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
基底：10 by 9 cm 厚度：0.32 cm 相对介电常数：2.2
贴片：4 by 3 cm
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。
7）贴片设计：
Draw>rectangle>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： Edit>Select> by name>选择patch>ok HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E 输入名称： Perf_patch 确认。
13）设置辐射场分析条件 HFSS>radiation>insert far field setup>infinite sphere 在对话框中如图选择参数 确定
14）创建分析设置
HFSS>analysis setup>add 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）
12）创建辐射边界条件
首先选择真空材料 Draw>box>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：
Edit>select>faces> 选择air的5个面，除了底面。 HFSS>boundaries>radiation 命名为rad1, 确认即可
柱长（0, 0, -0.5）确认
输入名称coax_pin ok
10）创建波端口激励 Draw>Circle>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 HFSS>Excitations>Assign >Wave prot>
Check it
设置求解类型：HFSS>Solution Type>Driven Tenminal
百度文库（1）设置模型单位：3D Modeler>Units>选择cm>OK
2) 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：Draw>Box>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
（-7，-4.5, 0.16）回车
（12, 9， 0）回车
5）设置地的边界条件：
Edit>Select>by name>选择gnd>ok Hfss>Boundaries>Assign>Perfect E >输入名称perfe_gnd, 确认infinite ground plane 未被checked>ok
（-7，-4.5, 0）回车 （12, 9， 0.32）回车
键入Sub1
键入Ctrl+D
4）建立有限大 ground：Draw>Rectangle>在底部的坐标输入框中输 入坐标(-7,-4.5,0.16)和（12,9,0）,确认后在属性对话框中输入地的名 称gnd，Ok, 然后键入CTRL+D，缩小全部显示基底
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)。
9）馈电同轴线建模：
首先设置默认材料为真空 Draw>Cylinder>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 Draw>cylinder>输入 柱位置坐标（-0.5, 0, 0） 柱半径（0.07, 0, 0）
7）创建馈线： Draw>rectangle> (-5,-0.2475,0)回车 (7,0.495,0)回车 输入名称：feed
设置为良导体。
Hfss>boundaries>assign>perfect E 命名为perfe_feed, ok
8)创建贴片： Draw>rectangle> (-2,-1.5,0.32) (4,3,0)回车 输入名称patch
工作频率：2.25GHz
创建一个工程
注意检查： a)Tools>Options>HFSS Options b)Tools>Options>3D Modeler Options
Check it
设置求解类型：HFSS>Solution Type>Driven 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。
1 S11 VSWR 1 S11
VSWR 2, S11 10dB
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
有关增益单位的定义：
（-5，-4.5, 0）回车 （10, 9， 0.32）回车
键入Sub1
键入Ctrl+D
4）建立infinite ground：Draw>Rectangle>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
6)创建缝隙，通过减运算完成地的设计 Draw>rectangle> 位置(-0.0775,-0.7,0.16)和 大小（0.155,1.4,0），输入名称slot确认 即可
完成地的设计： 从选择窗口选择gnd和slot, 从3d modeler>boolean> Subtract 选择：blank part：ground tool part:slot 如图完成减运算。
继续加人频率计算范围：
HFSS>analsis setup>add sweep>ok 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：HFSS>Validation check 分析开始：HFSS>analyze 查看求解结果的敛散性： HFSS>results>solution data
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
（10, 9， 0）回车
5）设置地的边界条件：
Edit>Select>by name>选择inf_gnd>ok Hfss>Boundaries>Assign>Perfect E >输入名称perf_gnd, 确认infinite ground plane 被checked>ok
6）在地上打孔并完成地的设计： Draw>circle>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, ok 3D Modeler> Boolean> Subtract 如图选择blank和tool parts，ok 地就建好了。
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。
建模过程：
（1）设置模型单位：3D Modeler>Units>选择cm>OK
2) 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：Draw>Box>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
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
Draw>Cylinder>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。
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：