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    最近在老师的指导下做“测试材料电磁参数”的实验,初学HFSS,根据实验的需要做出了初步的3D模型,记录下来,以便需要时可以随时查看。

    3D模型如下:同轴线内导体为铜(copper),深入矩形波导的长度为20mm 。其余介质为空气。(本想传入GIF,但是传不上来)

    仿真的电场分布图:

     

    简要说明:

    目前,已经建立了矩形波导和同轴线的3D模型,电磁波仿真频率设置为矩形波导(BJ100)的主模频率范围:8.2~12.5GHz。后面要做的事是仿真优化,即达到目的:尽最大可能减小发射系数S11,在-30db以下。

    优化方向:

    1. 同轴线内导体(铜柱)深入矩形波导的长度
    2. 确定同轴线与边界面的距离
    3. 改变矩形波导的内部结构(如加入阶梯,脊波导等);转换器,如:介质套等
    4. 使同轴线的特征阻抗与矩形波导的特征阻抗匹配(设同轴线的特征阻抗为50ohm)
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  • HFSS仿真的同轴线馈电天线频率忘了材料也忘了.反正改改肯定能用
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    HFSS同轴馈电矩形贴片天线馈电点以及尺寸的计算

    本代码是根据Antenna Theory Analysis and Design的公式计算得来,没有用到近似计算。并且采用均为国际单位。
    现在网上很多尺寸计算有些问题,尤其是馈电点,做的时候顺便写到的,馈电可以是同轴,深入馈电也行,都是标准书上的尺寸位置以及定义。长和宽不一定谁更大。

    同轴馈电
    深入y0的馈电

    epsilon_r=2.20;%相对介电常数
    h=0.001588;%介质板厚度m
    f=10*10^9;%Hz
    c=299792458;%光速
    
    format long
    lam=c/f;
    
    ratio=exp(50/60*(epsilon_r)^(1/2))%同轴馈电芯径比
    
    
    W=(c/f/2)*sqrt(2/(epsilon_r+1))%宽
    
    epsilon_reff=(epsilon_r+1)/2+(epsilon_r-1)/2*(1+12*h/W)^(-1/2);%有效电介
    
    dertL=h*0.412*(epsilon_reff+0.3)*(W/h+0.264)/((epsilon_reff-0.258)*(W/h+0.8));%边缘
    L=c/(2*f*(epsilon_reff)^(1/2))-2*dertL%实际长度
    
    
    
    k0=2*pi/lam;%传输系数
    X=k0*W;
    syms theta
    fun1=(sin(k0.*W.*cos(theta)/2)/cos(theta))^2.*(sin(theta))^3;
    I1=int(fun1,0,pi);
    I1=vpa(I1,5);
    G1=I1/(120*pi*pi);
    
    syms theta
    fun2=(sin(k0.*W.*cos(theta)/2)/cos(theta))^2.*(sin(theta))^3.*besselj(0,k0.*L.*sin(theta));
    G12=int(fun2,0,pi);
    G12=vpa(G12,5);
    G12=G12/(120*pi*pi);
    
    %odd mode,so'+'
    Rin0=1/(2*(G1+G12));
    
    y0=acos((50/Rin0)^(1/2))*L./3.1415926%y0为距离w边的距离
    Xf=L/2-y0%距离中心位置
    
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  • 在阻抗匹配方面,使用同轴线馈电时,在主模TM10TM_{10}TM10​工作模式下,馈电点在矩形辐射贴片长度L方向边缘处(x=±L/2)(x= ±L/2)(x=±L/2) 的输人阻抗最高,约为100Ω\OmegaΩ ~ 400Ω\OmegaΩ。馈电点在宽度ww

    一、设计指标

    • 中心频率:2.45GHz
    • 介质板相对介电常数:4.4
    • 介质板厚度:1.6mm
    • 馈电方式:50 Ω \Omega Ω同轴线馈电

    二、同轴馈电微带天线设计

    同轴线馈电的矩形微带天线结构如下图所示
    在这里插入图片描述

    其辐射贴片尺寸和微带线馈电的辐射贴片尺寸一致。在阻抗匹配方面,使用同轴线馈电时,在主模 T M 10 TM_{10} TM10工作模式下,馈电点在矩形辐射贴片长度L方向边缘处 ( x = ± L / 2 ) (x= ±L/2) (x=±L/2) 的输人阻抗最高,约为100 Ω \Omega Ω ~ 400 Ω \Omega Ω。馈电点在宽度 w w w方向的位移对输人阻抗的影响很小,但在宽度方向上偏离中心位置时,会激发 T M 1 n TM_{1n} TM1n模式,增加天线的交叉极化辐射,因此,宽度方向上馈电点的位置一般取在中心点(y=0);而在辐射贴片的几何中心点(x=0,y=0) 处的输人阻抗则为0,亦即此时无法激发 T M 10 TM_{10} TM10模式。由下式也可以直接近似计算出输人阻抗为50 Ω \Omega Ω时的馈电点的位置。 L 1 = L 2 ( 1 − 1 ξ r e ) L_{1}=\frac{L}{2}\left(1-\frac{1}{\sqrt{\xi_{\mathrm{re}}}}\right) L1=2L(1ξre 1)式中 ξ r e ( L ) = ε r + 1 2 + ε r − 1 2 ( 1 + 12 h L ) − 1 / 2 \xi_{\mathrm{re}}(L)=\frac{\varepsilon_{r}+1}{2}+\frac{\varepsilon_{r}-1}{2}\left(1+12 \frac{h}{L}\right)^{-1 / 2} ξre(L)=2εr+1+2εr1(1+12Lh)1/2
    计算的出50 Ω \Omega Ω匹配点: L 1 = 7 m m L_1=7mm L1=7mm
    其他参数参照侧馈矩形微带天线,最终参量如下表

    参量意义参量名参量值(单位:mm)
    介质板厚度H1.6
    辐射贴片长度L027.9
    辐射贴片宽度W037.26
    馈电点距离贴片中心距离L17
    四分之一工作波长length30

    三、模型创建与仿真

    首先将上表中的参量添加进HFSS的设计属性,如下图所示
    在这里插入图片描述

    模型创建完成后如下图
    在这里插入图片描述
    馈电设置为一个半径0.6mm的馈针,并且在GND上裁去与馈针同圆心,半径为1.5mm的圆片,如下图所示
    在这里插入图片描述
    设置过程如下

    在这里插入图片描述
    模型创建完成后进行仿真,仿真结果如下
    在这里插入图片描述
    从结果报告中可以看出,采用同轴线馈电,微带天线的谐振频率为2. 45GHz。此时, S 11 S_{11} S11值约为- 24.2dB,说明天线已经达到了良好的阻抗匹配状态,从而也验证了使用所计算50 Ω \Omega Ω输人阻抗位置的准确性。
    接下来,我们在其他参量不变的情况下,利用HFSS的参数扫描分析功能,分析同轴线馈电点的位置和天线输入阻抗之间的关系。

    四、分析同轴馈电馈电点位置和输入阻抗的关系

    1、首先添加参数扫描分析项L1,从0mm到12mm间隔1mm扫描,设置如下图所示

    在这里插入图片描述
    查看结果时将主要扫描项【Primary Sweep】设置为L1,将查看频率设置为2.45GHz在,如下图所示
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述
    分析结果如下图
    在这里插入图片描述
    从结果报告中可以看出,馈电点位置变量L1的值在6mm ~ 8mm之间时,回波损耗值最小,阻抗匹配最好。

    2、查看2.45GHz频点的输入阻抗和同轴线馈电点位置的变化关系如下

    在这里插入图片描述
    从结果报告中可以看出,同轴线馈电点从辐射贴片的中心向边缘移动时,输入电阻由0逐渐变大到100 Ω \Omega Ω左右,输入电抗由15 Ω \Omega Ω逐渐减小到-25 Ω \Omega Ω左右。当L1移动到6.6mm位置时,输入阻抗约为(50.0-j1) Ω \Omega Ω

    3、在Smith圆图上查看2.45GHz频点的 S 11 S_{11} S11和同轴线馈电点位置的变化关系

    在这里插入图片描述

    4、优化设计找到最佳阻抗匹配点

    从前面的参数扫描分析结果可知,当馈电点位置变量L1在6mm ~ 7mm之间时,天线在中心频率2.45GHz处的回波损耗最小,阻抗匹配最好。下面使用HFSS的优化设计功能,分析并给出最佳阻抗匹配点。优化变量为馈电点的位置变量L1,优化范围为6mm~7mm。优化目标是在2.45GHz时 S 11 S_{11} S11<-30dB。
    在设计属性【Design Properties】中选中L1为分析最优化值的参量
    在这里插入图片描述
    调出最优化的设置
    在这里插入图片描述
    设置分析最优化
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    最后优化得出在L1=6.6mm为最优解,相应的仿真结果如下
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

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    HFSS-MATLAB-API是一个工具库,该库是MATLAB通过使用HFSS script接口控制HFSS的执行的。这个工具库提供了一系列的MATLAB函数。这些函数可以通过生成需要的HFSS script来创建3D模型。一旦通过这种方式生成一个script,就可以在HFSS中执行它并产生相应的3D模型,按设置计算相应问题和将结果数据输出。可以说,任何在HFSS软件中可以建立的三维模型,都能够使用这一函数库来实现。 
    
    这一脚本接口的存在,并不是可有可无的。大多数设计者使用HFSS自带的3D建模功能,足以解决简单的模型创建,对象优化。但是总会遇到一些比较复杂的设计对象的时候,那时实在没什么好的技巧来借鉴了。例如设计周期阵列结构或者其他复杂的滤波器等。如果我们已经对MATLAB软件有了足够多的了解,并且有使用HFSS设计滤波结构的经验,我们就可以进一步接触该脚本。实际使用过程中,设计者就会意识到该脚本的实用价值。实际上,掌握该脚本也不是一个多么耗费精力的事情。最近的更新的版本可以执行的是最小限度的错误检查,这简化脚本的大小,因此,需要仔细阅读帮助说明,在使用提供的函数之前。(每一个函数都有详细的帮助说明,可以在MATLAB中使用help[函数名]来了解它,最新版本是基于GNU(自由软件协会)和GPL(通用公共许可证)发布的)。
    大部分的函数(与3D模型构建无关)只能工作在求解模式下,其它类型的求解方式有待填充完善。在HFSS脚本中还有其它的的求解方式,特殊的模型模块,材料属性等,都没有列入MATLAB文件中的程序包里,完善这一过程需要更多的开发时间。目前的版本,已经带来极大的启示和功效,相信上述功能在后继版本会得到相应的支持。
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