工程电磁场与波仿真设计—磁偶极子天线的近区场计算

1、目录目录11、课程设计的目的与作用11.1、设计目的：11.2、设计作用：22、设计任务及所用Maxwell软件环境介绍22.1、设计任务22.2、Maxwell软件环境：33、电磁模型的建立33.1、建模33.1.1、创建线圈43.1.2.创建计算区域sphere163.1.3.创建激励电流加载图73.2.设置激励83.2.1.设置辐射边界Radiation Boundary103.2.2.将sphere1的半径表示为l的函数103.2.3.设置表面剖分的近似原则123.2.4.Maximun surface deviation123.25.Maximun normal deviation1

2、33.2.6、Aspect ratio133.2.7、创建计算区域的外表面133.3、设置计算参数133.4、设置自适应计算参数143.5、Check & Run143.6、计算辐射电阻153.6.1、创建平均Poynting矢量的计算表达式153.6.2、求边界上的辐射功率163.6.3、计算辐射电阻173.7、查看辐射边界上的Poynting矢量图184、电磁模型计算及仿真结果后处理分析185、设计总结和体会196、参考文献201、课程设计的目的与作用1.1、设计目的： 电磁场与电磁波课程理论抽象、数学计算复杂，将Maxwell软件引入教学中，通过对典型电磁产品的仿真设计，并模拟电

3、磁场的特性，将理论与实践有效结合，强化学生对电磁场与电磁波的理解和应用，提高教学质量。 1.2、设计作用： 磁偶极子天线的近区场计算。让我们更好的理解与掌握Maxwell这个软件的作用，提高了我们的耐心，同时能看见电场线仿真出来的效果，使我们更加清楚电场线的分布。能对结果进行总结和分析。了解了我们所做题目的原理步骤。让我们对电磁场的学习深化，以便以后的学习更加容易。熟练使用Ansoft Maxwell 仿真软件，对电场、磁场进行分析，了解所做题目的原理。利用Ansoft Maxwell 软件仿真简单的电场以及磁场分布，画出电场矢量E线图、磁感应强度B线图，并对仿真结果进行分析、总结。将所做步骤

4、详细写出，并配有相应图片说明。2、设计任务及所用Maxwell软件环境介绍2.1、设计任务 计算如下图所示所受磁偶极子线圈的近区场在边界上的坡印廷矢量及其辐射电阻。要求理解并掌握辐射边界的使用。 使用电流环的内径r=9.5mm，外径R=10mm,线圈材料为铜（copper）。环内通的电流为I=0.8A。图表 1任务设计图2.2、Maxwell软件环境：Ansoft Maxwell 软件特点：Ansoft Maxwell 是低频电磁场有限元仿真软件，在工程电磁场领域有广泛的应用。它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解，使用领域遍及电器、机械、石油化工

5、、汽车、冶金、水利水电、航空航天、船舶、电子、核工业、兵器等众多行业，为各领域的科学研究和工程应用做出了巨大的贡献。3、电磁模型的建立3.1、建模一、建模：Project > Insert Maxwell 3D Design二、保存：File > Save as > mengxianlei 三、选择求解器类型：Maxwell 3D > Solution Type > Eddy current四、设置几何尺寸单位：Modele > Units > Select Units: meter 3.1.1、创建线圈 一、Draw > Torus 二、输入中

6、心点，线圈内径和线圈的外径分别为：（0,0,0）、（0.0095,0,0）和（0.001,0,0） 三、设置材料：Copper 四、重命名：coil图表 2 设置线圈材料并重命名图表 3建立并设置完成后的线圈图3.1.2.创建计算区域sphere1 一、Darw > sphere 二、输入中心点和球形计算区域的半径分别为：（0,0,0，）和（0.006,0,0） 三、设置材料：Vacuum图表 4绘制完成的球形区域3.1.3.创建激励电流加载图 一、Select > coil 二、Modeler > Surface >Section 三、选择平面：YZ平面 四、分离两S

7、ection面：Modeler > Boolean > Separate Bodies 五、删除多余截面，并将剩余截面重命名为：current图表 5激励电流加载面 3.2.设置激励 选中线圈截面：current一、Maxwell 3D > Excitations > Assign > Current二、设置环内通电流：I=0.8A三、设置类型:soild 图表 6设置环内通电流并设置类型图一、 设置涡流效应和位移电流存在区域：Maxwell 3D > Excitations > Set Eddy Effects图表 7设置涡流和位移电流图 3.2.1

8、.设置辐射边界Radiation Boundary 一、辐射边界在仿真电磁场区域问题时使用，辐射边界可完全吸收该边界所包围区域向外辐射时的电磁波，不会造成电磁波的反射。 二、辐射边界只在涡流求解器中使用。 三、辐射边界必须与位移电流（Displacement current）设置同时使用。 四、辐射边界一般都设为球形（也可以是其他形状），辐射边界到辐射源的距离一般大于电磁波波长的1/4。 在天线的辐射问题中，一般习惯于将研究目标或区域的尺寸表示为电磁波波长（l,lambda）的函数。 3.2.2.将sphere1的半径表示为l的函数选中sphere1下的Createsphere一、 修改rad

9、ius：lambda/4+0.01 (m)（1）、添加变量lambda的定义：c0/frequ （c0为真空光速）（2）、添加变量frequ的定义：1.5GHz 二、面选择：Edit > Select > Faces 三、选sphere1的外表面：Maxwell > Boundaries > Assign > Radiation图表 8设置参数1图表 9设置参数23.2.3.设置表面剖分的近似原则选中外表面 一、Maxwell > Mesh Operations > Assign > Surface Approximation (1)、Maxwe

10、ll surface devation:ignore (2)、Set maximun normal deviation（angle）:15 deg (3)、Set aspect ratio:10图表 10设置表面剖分的近似原则3.2.4.Maximun surface deviation 表面偏差距离：模型的剖分三角平面与真实表面之间的距离，若模型真实表面是平面，则表面偏差距离为0。3.25.Maximun normal deviation 模型的剖分三角平面与真实表面的法向分量之间的夹角。3.2.6、Aspect ratio剖分三角单元的Aspect ratio是指三角单元的外接圆半径与三角

11、形内径的比值。若该参数为1，表示三角单元与等边三角形。对于平面剖分，Aspect ratio的设置下限为4，对于曲面剖分，Aspect ratio的设置下限为1.2。3.2.7、创建计算区域的外表面 选中sphere1区域的外表面Modeler > Surface > Create Object From Face3.3、设置计算参数一、设置计算参数：Maxwell 3D > Parameters > Assign > Matrix图表 11设置计算参数图3.4、设置自适应计算参数 一、设置自适应参数：Maxwell 3D > Analysis Setup

12、> Add solution Setup 二、最大迭代次数：5 三、误差要求：10% 四、频率设置：1.5GHz (Solver > Adaptive Frequency)3.5、Check & Run 一、检查：Maxwell 3D > Validation check 图表 12进行检查图二、分析：Maxwell 3D .> Analyze ALL3.6、计算辐射电阻 3.6.1、创建平均Poynting矢量的计算表达式 一、 打开计算器：Maxwell 3D > Fields > Calculator二、引入参数：Quantity > E

13、 ; Quantity > H 三、取H矢量的共轭：Complex > conj 四、叉乘：Cross 五、取实部：Complex > Real 六、写入系数：Number > 0.5 七、点乘：* 八、将公式添加进表： （1）、点击Add (2)、Named expressions > Poynting Done 图表 13创建Poynting矢量的计算表达式 3.6.2、求边界上的辐射功率 一、 打开计算器：Maxwell > Fields > Calculator二、打开Poynting矢量：在Named Eepressions栏中选中Poynt

14、ing三、将Poynting矢量设置copy到Calculator堆栈中：Copy to stack四、Geometry > Surface > ObjectFromFace1五、保留Poynting的法向分量：Normal六、积分并查看结果（Eval）图表 14写入边界上的辐射功率图3.6.3、计算辐射电阻 3.7、查看辐射边界上的Poynting矢量图 选中sphere1的外表面一、 Maxwell 3D > Fields > Fields > Named Expression二、选中Poynting4、电磁模型计算及仿真结果后处理分析图表 15电磁模型的仿真

15、图表 16电脑运行出来的辐射功率结果图 从图可知辐射功率：Pav=1.19933832043437W由题可知环路电流：Irms=0.8A由辐射电阻的计算公式为： 即：辐射电阻5、设计总结和体会 在这次课程设计当中，我们第一天进行的是对麦克斯韦软件的初步操作和熟悉，我们花了一天的时间在熟悉Maxwell软件的操作，初步掌握了它的使用方法。根据软件上的介绍和老师给出的练习题目作了许多关于电磁场与电磁波的练习。虽然我们开始花了一整天的时间才做出来，但在快验收的时候才发现做的出了错，各种调整修改，即使在老师的帮助下也都不行，于是便下狠心删了，重做了一个，但这次花了不到半个小时就做完了，而且还做对了。才发现自己对这个软件已经初步熟悉的掌握了，心里很是欣慰。第二天，当我们真正做自己的课程设计的时候，就发现操作起来就更加的得心应手了，虽然遇到了软件上的许多问题，例如操作的时候软件总是突然退出，不能够复制、粘贴和保