应用ANSOFT HFSS对曲面结构贴片天线的模拟

1、-作者xxxx-日期xxxx应用ANSOFT HFSS对曲面结构贴片天线的模拟【精品文档】第四章 应用ANSOFT HFSS对曲面结构贴片天线的模拟所求解的结构体图型如4.1.1图所示。图4.1.1 结构体模型结构体的具体尺寸如下所示：00其中介质锥的介电常数r = 。选定工作频率为f=15GHz,相对应的真空中的波长为0=20 mm，这样结构体的几何尺寸已经完全确定，下面介绍求解的全过程。选定求解方式为(Solution Type)Driven modal。1. 建立所求结构体的几何模型(单位：mm)。 由于此结构体的几何形状较简单，使用工具栏中的Draw命令可直接画出，这里不再赘述述。画出

2、的结构体如图4.1.2所示。2. 充结构体的材料选定结构体中的锥体部分,添加其介电常数的介质材料。 图.2 结构体的几何模型 注：如果HFSS中没有提供与所需参数完全相同的材料，用户可以通过新建材料或修改已有材料，使其参数满足用户需求。3. 设定结构体的边界条件及其激励源。a. 选定结构体的贴片部分，设定其为理想导体(PerfE)。b. 画出尺寸为X×Y×Z=70mm×70mm×40mm的长方体作为辐射边界,并设定其边界条件为辐射边界条件(Radiation Boundary)。c. 由于要求出结构体的RCS，因此设定激励源为平面入射波(Incident

3、 Wave Source)。如图4.1.3所示。 图.3 设置激励源为平面入射波 图.4 求解过程的设定细节4. 设定求解细节，检验并求解a. .4所示。 b. 设定远区辐射场的求解(Far Field Radiation Sphere 栏的设定)。c. 使用Validation check命令进行检验，无错误发生，下一步运行命令Analyze，对柱锥结构体进行求解。如图.5和.6所示。图.5 Validation栏 图.6程序运行过程中5. 计算结果的察看和处理。 a. 锥形结构体的RCS曲线如图.7()和图.8()所示。图 柱锥结构体的双站RCS() 图.8 柱锥结构体的双站RCS() b

4、. 柱锥结构体上表面的贴片电流分布如图.9和图.10所示。图.9 极化的入射波时的贴片表面电流分布 图.10 极化的入射波时的贴片表面电流分布4.2 HFSS对球形圆贴片天线的RCS的计算球形圆贴片天线的几何结构如图4.2.1所示，球体的内部为理想导体，外部球层是介电常数为2.2的电介质，贴片的位置如图所示以Z轴为中心，其工作频率为f=7GHz。图.1 球形贴片天线的几何外形球形贴片天线的几何尺寸如下所示：=30 mm=3.7874 mm=0.7874 mm=7.1 mm°介质衬底的介电常数为r =2.2 。入射波为沿-Z方向的平面波。详细模拟过程：1. 运行HFSS 9.0 ，新建

5、项目,并将其名称保存为”球形圆贴片”。下一步，使用命Project>Insert HFSS Design进入模型建立及其后序求解界面如图所示.下面用命令HFSS>Solution Type设定求解方式,如图4.2.3所示。 图弹出Solution Type栏，如图所示。 这里为微波高频求解选择求解方式为Driven Model.接下来用命令3D Modeler>Units 设定模型尺寸，弹出Set Model Units对话框，如图4.2.5所示，选择单位mm。 图下面的部分详细列出画三维几何模型的过程 a. 衬底(sub)及内导体(in_metal)的画法： 使用Draw命

6、令画出半径为30mm的球体,弹出如图所示的球体属性的对话框Properties栏。 图 点击Attribute项在Name栏中输入in_metal作为内导体,如图所示。 图与画内导体相似，画出半径为30.7874的球，弹出如图所示的Properties栏。点选Attribute项，在Name栏中填入sub作为衬底如图所示。图 图4.2.9 在点选vacuum项弹出Select Definition栏如图.10所示.通过查找得到相对介电常数为2.2的介质，选中其中满足要求的介质即可。选中Rogers RT/duroid 5880(tm)。图但由于衬底只是整个球体的一部分，并且HFSS中不允许有材

7、料在几何模型中相交，所以需要将衬底中内导体部分去掉而又要保留现有的内导体，采用下面的方法来实现，首先将内导体复制一下产生两个内导体球，具体使用Edit>Select>Select by name 命令，弹出Select Object栏如图所示。 图.11选择in_metal并点击ok按钮，再使用命令Edit>Copy和Edit>Plaste命令完成内导体的复制，HFSS自动间复制的内导体命名为in_metal1，与上面相似使用Edit>Select>Select by name 命令，同时选择sub和in_metal1两个物体在使用命令3D Modeler&

8、gt;Boolean>Subtract弹出Subtract栏如图所示。 Blank栏中为sub，Tool Parts栏中为in_metal1，其余设定如图所示点击OK按钮，完成衬底的模型的建立。 b. Z平面内三点画弧线法以原点为圆心以为半径画出弧段,其中使用球坐标使其转过的角度为0=°，画好的弧线如图所示。 选择所画出的弧线用Draw>Sweep>Around Axis命令，弹出Sweep Around Axis对话框，旋转轴选为Z轴，旋转度数选为360度，如图所示，点击ok。 图这样就画好了球衬底表面上的圆形贴片，在贴片的属性栏中将其命名为patch，画好后的整

9、体模型如图所示。 图2. 设定边界条件及激励源 a. 由于金属贴片的厚度很薄，且其对计算的结果影响较小，故HFSS中不用设定其厚度。选择贴片(patch)，用Hfss>Boundaries>Assign>PerfE命令，弹出如图所示的Perfect E Boundary栏，将其命名为PerfE_patch,点击OK。图设定贴片为理想导体。设定好的贴片如图所示。图 图 与此相似，设定内导体也为理想导体命名为PerfE_in_metal，设定好后如图所示。 b. 下面来设定0远的距离，因此以圆心为中心作出边长为100mm的立方体完全满足解的要求，作好的立方体命名为boundary

10、,如图所示。 图 图 选择立方体boundary，使用Hfss>Boundaries>Assign>Radiation命令设定其为辐射边界条件，弹出Radiation Boundary栏，如图所示.点击OK按钮。 图 设定好的辐射边界条件如图所示。c. 对于激励源的设定,由于这里所要求解的是散射场，故激励源为平面入射波,方向为沿-Z方向。使用HFSS>Excitation>Assign>Incident Wave命令，弹出Incident Wave Source 栏，如图所示。 图 图 选择specrial项，点击”下一步”，出现入射波方向设定栏如图所示。

11、设定入射波phi为0deg,theta为0deg极化方向为phi方向，点击”完成”按钮。完成激励源入射波的设定，如图4.所示。 图3. 建立求解的细节，使用命令HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup 弹出Solution Setup栏，solution为7GHz，Maximum Number of Passes为5，Maximum Delta E为0.1，如图所示。 图 图 与辐射边界条件相对应，该设定远区辐射场，使用命令HFSS>Radiation>Insert far field Setup >Infinite spher

12、e，弹出如图所示的Far Field Radiation Sphere Setup栏，theta和phi均为0度到360度,步进为1度。使用用命令HFSS>Validation Check对模型进行检验，如图所示。 图 检验模型没有错后，对模型进行模拟求解，使用命令HFSS>Analyze，对模型求解，如图所示。 图4. 求解运算后，使用命令HFSS>Results>Solution Data，弹出Solution Data 栏，点击convergence项下的plot，可以看到求解的收敛曲线，如图所示。 图 使用HFSS>Results>Create Re

13、port 命令，弹出Cretat Report栏，在Report Type栏中选择Far Field 项，Dislay Type栏中选择Rectangular Plot项，如图所示。图 点击OK，弹出Traces栏，在Y项中，Category选为RCS，Quantity选为RCSphi，Function选为dBm如图所示。 图 图 在X项中勾选Use Primary Sweep。 在sweeps项中点选Use current Design and Project variable，并且在第一栏中的Name项为Theta，Type项为Primary Sweep，Description项为All

14、Values，第二栏中Name为phi，Type项为Piont(s)，Description项为0deg，如图所示。 点击Add Traces按钮，在点击Done按钮，生成如图所示的RCS()曲线。 图4.2.33 选择贴片，使用命令HFSS>Fields>Plot Fields>Mag_Jsurf，弹出Create Field Plot栏，如图所示，点击Done按钮，产生贴片表面电流的模拟，如图4.2.35 所示。 图 相似的方法可以得到极化时的RCS()曲线，如图和极化时的表面电流分布，如图4.2.37所示。 图 图 极化时的表面电流 图4.2.37 极化时的表面电流4.

15、3 HFSS对柱形体贴片阵列的模拟所求的柱形体衬底贴片阵列为8×1阵列，几何模型的具体尺寸如图0。 图4.3.1 柱形体贴片阵列的几何模型图中的几何体各参数如下所示：0°b =20/00D0厚为h的衬底的介质的介电常数为r=2.0。贴片阵列的工作频率为f=5GHz，则相对应的工作波长为0=60 mm。该柱形体贴片阵列的激励源为沿-X方向的平面入射波。下面为用HFSS对该结构体模拟的全过程：选定求解方式为(Solution Type)Driven modal。1. 建立柱形体贴片阵列的三维几何模型. a. 在XOZ平面内画出柱形体贴片的截面图为矩形,然后应用sweep命令向顺

16、时针和逆时针两方向分别旋转33.75度可以画出该柱形体的衬底及内导体的几何模型,具体细节这里不在赘述。 b. 下面详细介绍一下贴片阵列的画法。00，0的线段4段,如图4.3.2所示。 图4.3.2 贴片与衬底外表面在XOZ平面的交线 图4.3.3 Z>0部分的贴片 分别将图4.3.2中的4段线段绕Z轴向顺时针和逆时针方向旋转可得到所要求得的贴片，如图4.3.3所示。 选中图4.3.3中所画的4个贴片,将这4个贴片沿XOY平面作一镜像的到所要的8×1贴片阵列。这样就画好了柱形体贴片阵列的几何模型,如图4.3.4所示。2. 对画好的几何体模型填充相应的材料。 选中衬底部分将其中填充

17、介电常数为的介质材料。3. 设定模型的边界条件及激励源。 图4.3.4 柱形体贴片的几何体模型 图4.3.5 辐射边界条件的设定 a. 选中柱形体的内导体部分,将其设定为理想导体(PerfE)。 b. 选中贴片阵列中的所有贴片,设定它们为理想导体(PerfE)。 c. 作X×Y×Z=120 mm×120 mm×320 mm的长方体,设定其为辐射边界条件(Radiation Boundary)，如图4.3.5所示。 d. 该模型的激励源为沿-X轴方向的平面入射波，设定后如图所示。 图4.3.6 平面入射波的设定4. 设定求解细节,并运行求解。 a. 设定求

18、解频率为f=5GHz ,详细的设定如图4.3.7所示。 图4.3.7 工作频率及其它细节的设定 图4.3.8 远区场求解的设定b. 设定远区辐射场的求解(Far Field Radiation Sphere 栏的设定)，如图4.3.8所示。c. 使用Validation check命令进行检验,无错误发生,接下来运行命令Analyze,对柱形体贴片进行求解。5. 结果曲线及相应参数的提取。 a. 入射波为沿-X方向的平面入射波时,双站RCS()曲线，如图4.3.9所示。 b. 入射波为沿-X方向的平面入射波时,双站RCS()曲线，如图4.3.10所示。图4.3.9双站RCS() (dB) 图

19、双站RCS() (dB)4.4 HFSS对覆盖8×8贴片阵列的介质柱的RCS的计算所求解的8×8贴片阵列的介质柱的几何模型如图所示，其中内圆柱为理想导体，理想导体的外层为介质衬底，贴片均匀分布在衬底柱的侧面，具体参数如图4.4.1（a）所示，其中：f=5GHz0=60mm0=45°b =20/=0=6mm0=255mmD0=15mm 图 将(a)图绕Z轴依次旋转45度，90度，135度，180度，225度，270度，315度，并将旋转后得到的几何体组合起来就得到图中(b)所示的柱形体.其中衬底基片的介电常数为2.0。用HFSS 9.0对柱形贴片阵列的模拟详细步骤如

20、下：1. 用HFSS的Draw工具对该柱形贴片阵列三维几何模型的建立。由于该天线为对称结构，故可以先画出图中(a)，再进行旋转，组合而得到所要的几何模型(b)。运行HFSS 9.0，新建工程为Project1，将其保存名称为”full cylinder patch”的项目。 使用命令Project>Insert HFSS Design进入模型建立及其后序求解界面，接下来使用HFSS>Solution Type设定求解方式， 弹出Solution Type栏，如图所示。这里为微波高频求解选择求解方式为Driven Model。 图接下来用命令3D Modeler>Units 设

21、定模型尺寸，弹出Set Model Units对话框，如图所示，选择单位mm。 图下面的部分详细列出画三维几何模型的过程：a. 画出衬底(sub)及内导体(in_metal) 在XOZ平面内，以原点为一个顶点,画出X×Z=×的矩形，弹出如图所示的Properties栏。图.4 图.5 点击Attribute项，在Name栏中输入Rec1作为其名称如图所示。所示。 图.6 图.7 选择矩形Rec1，使用Draw>Sweep>Around Axis命令，弹出Sweep Around Axis栏，点选Z轴，旋转角度为22.5度，如图所示。 点击OK，得到如图所示的柱形

22、体的一部分。 图.8 图.9 选择所作出的柱形体部分，使用命令Edit>Copy和命令Edit>Plaste,产生同样的柱形体部分，名称为Rec2如图所示。 打开名称为Rec2的柱形体部分的Properties栏，将X size修改为32.2165mm，作为内导体，如图所示。图.10在Attribute栏中将Rec2改为in_metal作为内导体，如图.11所示。. 图使用命令Edit>Copy和命令Edit>Plaste将in_metal复制一份，其名称为in_metal1，使用Edit>Select>Select by name 命令，弹出Select

23、Object栏如图所示的Select Object栏.点选Rec1和in_metal1，点击OK。 图.12 图.13使用命令3D Modeler>Boolean>Subtract，弹出Subtract栏，如图所示。其中Blank栏中为Rec1，Tool Parts栏中为in_metal1，点击OK按钮。打开柱形体Rec1的Properties栏，在Name栏中输入sub作为衬底的名称，点选vacuum项，弹出如图所示的Select Definition栏。 图.14由于Select Definition栏中没有相对介电常数为2.0的介质因此需要用户对已有的材料修改或完全新建材料来

24、满足自己的要求。在这里，通过新建材料使其满足求解的要求。点击Select Definition栏中的Add Material按钮，弹出View/Edit Material 栏，在Material栏中输入substrate 代表介质名称,Relative Permittivity项中修改为2.0，其余参数设定如图所示。 图.15这样,就完成了衬底(sub)和内导体(in_metal)的几何模型的建立。 b. 下面为贴片的详细画法 在过点(38.2165,0,0)且平行Z轴的直线上,以点(38.2165,0,7.5)为起点，沿Z轴正方向依次作出长度为15mm的4段线段，如图所示。 在分别选择上述的

25、4段线段，使用命令Draw>Sweep>Around Axis，弹出Sweep Around Axis栏，选择轴为Z轴，角度为11.25度，如图所示。 图.17 图.18 这样完成了此柱形体的贴片的建立。如图所示。 使用CTRL+A命令选择所有的物体，在XOZ平面内，再使用Edit>Duplicate>Mirror，将建立与图对称的柱形体部分，将两部分组合将得到图4.4.1中(a)所示的柱形体，如图4.4.19所示。 图.19 图.20 选择两部分的内导体(in_metal和in_metal1)，使用3D Modeler>Boolean>Unite命令将两部

26、分结合为一部分，对衬底和贴片采用同样的方法，最后的到图。 使用CTRL+A命令，选择所有的物体，使用命令Edit>Duplicate>Around Axis，弹出Around Axis栏，选择X轴，旋转角度为180度，如图所示,点击OK，如图4.4.22所示。 图 与上一步相似，选择所有物体，使用Edit>Duplicate>Around Axis命令，使其绕Z轴旋转，旋转的角度依次为45度,90度,135度,180度,225度,270度,315度，得到如图所示的几何体。 图.23 图.24选择所有的衬底部分，使用命令3D Modeler>Boolean>U

27、nite将所有的衬底结合为一体。同样选择所有的内导体部分，将所有的内导体结合为一体。这样画好的几何体如图。2. 设定边界条件及激励源。a. 由于金属贴片的厚度很薄，且其对计算的结果影响较小，故HFSS中不用设定其厚度。选择所有的贴片(patch)，用Hfss>Boundaries>Assign>PerfE命令，弹出如图所示的Perfect E Boundary栏，将其命名为PerfE_patch，点击OK。 图.25 设定贴片为理想导体，设定好的贴片如图所示。 图.26 图.27 与此相似，设定内导体也为理想导体命名为PerfE_in_metal，设定好后如图所示。b. 下面

28、来设定0远的距离，因此以圆心为中心作出X×Y×Z=110mm×110mm×300mm的长方体完全满足解的要求，作好的长方体命名为boundary，如图所示。 图 图.29 选择立方体boundary，使用Hfss>Boundaries>Assign>Radiation命令设定其为辐射边界条件，弹出Radiation Boundary栏，如图所示。点击OK按钮。 设定好的辐射边界条件如图所示。 图.30c. 对于激励源的设定,由于这里所要求解的是散射场,故激励源为平面入射波，方向为沿-X方向.使用HFSS>Excitation>

29、;Assign>Incident Wave命令，弹出Incident Wave Source 栏，如图所示。 图 图4.4.32 选择specrial项，点击”下一步”，出现入射波方向设定栏如图所示。 设定入射波phi为0deg，theta为90deg极化方向为theta方向，点击”完成”按钮。完成激励源入射波的设定，如图所示。 图.33 图.343. 建立求解的细节，使用命令HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup 弹出Solution Setup栏，solution为5GHz,Maximum Number of Passes为4，Maximum