介質(zhì)諧振器與介質(zhì)諧振器天線的建模與仿真分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第3章 介質(zhì)諧振器與介質(zhì)諧振器天線的建模與仿真分析3.1介質(zhì)諧振器設(shè)計單位介質(zhì)諧振器的流程圖：參數(shù)掃描結(jié)果 參數(shù)掃描 創(chuàng)建場覆蓋圖查看計算結(jié)果 仿真 設(shè)置分析 保存工程 檢查模型 創(chuàng)建介質(zhì) 創(chuàng)建空氣腔設(shè)置默認(rèn)材料 3.1.1介質(zhì)諧振器的建模介質(zhì)諧振器的模型有很多中，本文主要是以圓柱形介質(zhì)諧振器為參考，其中，介質(zhì)諧振器的尺寸均是由本人視個人情況設(shè)定。本模型由三部分組成：諧振腔、諧振介質(zhì)和基片，如圖所示：諧振器基片諧振介質(zhì)諧振腔 3.1.2諧振器的設(shè)計與仿真分析（1） 開始前的準(zhǔn)備工作 上網(wǎng)下載電磁波仿真系統(tǒng)HFSS軟件，進行安裝。 打開HFSS軟件桌面快捷方式，啟動HF

2、SS軟件。新建一個工程，名稱為yuancong.hfss ，然后設(shè)計解決方案類型。在HFSS軟件中，具有三種求解方法。分別是受驅(qū)模式求解、受驅(qū)終端求解和本征模求解。下面是三種求解方式的區(qū)別：本征模求解：計算結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振是一般采用本征模求解方式。本征模求解可算出結(jié)構(gòu)的諧振頻率和在這些諧振頻率出對應(yīng)的場，也可計算出品質(zhì)因數(shù)。因為本征模問題不包含端口和源，所以介質(zhì)諧振器運用的求解方式是本征模求解方式。受驅(qū)模式求解：想用HFSS計算基于微波傳輸帶、波導(dǎo)、傳輸線等被動高頻結(jié)構(gòu)的基于模式的S參數(shù)時，選用Driven Modal。S參數(shù)解決將用一系列波導(dǎo)模的入射和反射能量來表示。受驅(qū)終端求解：想用HF

3、SS計算基于終端的多導(dǎo)體傳輸線端口的S參數(shù)時，采用受驅(qū)終端求解。（2） 設(shè)計模型單位 選擇軟件的單位以毫米為單位。（3） 創(chuàng)建空氣腔 選擇菜單項創(chuàng)建空氣腔，其圓柱體的基坐標(biāo)為（x=0,y=0,z=0）,并且鍵入半徑為15mm，高度為10mm。并且勾選顯示框架項。（4） 創(chuàng)建新材料 由于介質(zhì)諧振器是由高介電常數(shù)和低損耗的介質(zhì)材料制成，所以要創(chuàng)建高介電常數(shù)的材料。我們在三維模型材質(zhì)中創(chuàng)建新材質(zhì)，其中，諧振介質(zhì)的介電常數(shù)=36，命名為DielRes.在實際天線設(shè)計中，諧振器要放在介質(zhì)基片之上，基片下面是接地板，接地板如果與諧振器較近就會對諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)有影響，而且諧振器材料的介電常數(shù)必須遠大于基

4、片的介電常數(shù)。所以設(shè)置諧振基片的介電常數(shù)=9.6.命名為subs。（5） 創(chuàng)建基片和介質(zhì) 創(chuàng)建基片位置為（x=0,y=0,z=0），其中半徑為15mm，高度為-1mm。命名為substrate。設(shè)置材料為subs 創(chuàng)建介質(zhì)位置為（x=0,y=0,z=0），其中半徑為5mm。高度為5mm。設(shè)置材料為DielRes。（6） 檢查模型設(shè)置 我們已經(jīng)建立了完整的模型，分析之前唯一沒做的是設(shè)定邊界條件，我們應(yīng)用系統(tǒng)默認(rèn)的邊界為理想電邊界。由于本征模算法不需要端口激勵，所以我們不設(shè)置激勵。通過菜單項中的邊界顯示，得出如圖結(jié)果： (7) 設(shè)置分析 建好模型后，接下來是使用HFSS軟件的分析功能來分析模型的微

5、波性能，首先添加分析功能，然后設(shè)置器件所要工作的工作頻率。完成設(shè)置后，開始分析模型。 在分析設(shè)置中，主要設(shè)置工作頻率，求解頻率是用來自動劃分網(wǎng)格的，所以不要設(shè)置的太低，計算會不精確，一般取中心頻率。即設(shè)置最小頻率為3GHZ：設(shè)置模式數(shù)目為6：設(shè)置最大步數(shù)為14，設(shè)置頻率每步最大變化為25%。最小收斂步數(shù)為3.（8） 仿真建立好模型和設(shè)置分析后，檢查模型邊界設(shè)置后，就可以仿真模型了，其模型驗證如圖所示： 接下來就是執(zhí)行仿真求解。(8) 計算結(jié)果對于介質(zhì)諧振器，需要關(guān)注的參數(shù)是介質(zhì)諧振器的諧振頻率，各個諧振模式在諧振器內(nèi)部的場強分布，由于沒有激勵，所以沒有S參數(shù)。查看結(jié)果數(shù)據(jù)，其收斂性如圖所示：

6、切換到本征模數(shù)據(jù)選項卡，如圖所示，可以看到這些模成對出現(xiàn)，他們是衰減模。接下來通過單個模查看收斂性，如圖所示，在第七步后軟件得到的模的頻率趨于常數(shù)。容易看出模5和6以及1和2實際上同一個模。(9) 場覆蓋圖1. 設(shè)置場為電場幅度，經(jīng)過一系列設(shè)置后，同時可以改變激勵模，可以看到模型在XZ平面上不同模的電場幅度分布圖。如圖所示： 模1的電場幅度分布 模2的電場輻射分布 模3的電場輻射分布 模4的電場輻射分布 模5的電場輻射分布 模6的電場輻射分布2.設(shè)置場為磁場幅度，經(jīng)過一系列設(shè)置后，同時可以改變激勵模，可以看到模型在XZ平面上不同模的電場幅度分布圖。 模1的磁場幅度分布 模2的磁場幅度分布 模3

7、的磁場幅度分布 模4的磁場幅度分布 模5的磁場幅度分布 模6的磁場幅度分布3. 在自定義面上繪制電場輻射分布（僅表述出模1的電場輻射分布，其他五個不一一列出了）（10） 參數(shù)掃描 將諧振介質(zhì)的高度設(shè)為變量，查看當(dāng)介質(zhì)諧振高度發(fā)生變化時，對諧振頻率有什么影響，當(dāng)變量為多少時，高度的增加對諧振頻率沒有影響。得到如圖的圖形。 通過圖形可以看出，諧振高度的變化會使諧振器各模式的諧振頻率將會反生變化。當(dāng)高度增加到一定高度時，諧振頻率將會趨于一穩(wěn)定的值，如，對于模1而言，高度為6mm為最優(yōu)高度。 當(dāng)然還可以對其他參數(shù)進行掃描優(yōu)化，操作方法基本相同，不再一一列出。3.2介質(zhì)諧振器天線 介質(zhì)諧振器天線通常是由

8、功率源激勵的。饋電的作用就是把激勵源輸入的電磁信號通過耦合作用傳輸?shù)浇橘|(zhì)諧振器上。饋電結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)應(yīng)能提高激勵源和介質(zhì)諧振器的耦合度，并且應(yīng)符合阻抗匹配要求。目前主要的饋電形式有微帶線直接饋電,微帶線縫隙耦合饋電，共面波導(dǎo)饋電，同軸探針饋電。不同形式的饋電結(jié)構(gòu)，可根據(jù)設(shè)計調(diào)節(jié)的參數(shù)數(shù)量的不同獲得不同性能的天線。主要饋電形式有微帶線饋電、同軸線饋電、電磁耦合饋電、共面波導(dǎo)饋電等。本文主要以同軸探針饋電為研究對象，以圓柱形介質(zhì)諧振器天線為例，說明探針的高度和位置對諧振器天線的影響。如圖所示： 探針饋電的圓柱形DRA 介質(zhì)諧振器天線與介質(zhì)諧振器建模的區(qū)別在于介質(zhì)諧振天線必須設(shè)置邊界和激勵。所建模型

9、如圖所示： 創(chuàng)建端口命名為port，設(shè)置為波端口。端口是唯一的一種允許能量流入和流出的邊界條件，所以將port端口設(shè)置為波端口。運用銅探針，將探針的位置和高度設(shè)置為變量。（1）檢查模型設(shè)置 仔細檢查邊界條件設(shè)置以及波端口設(shè)置。邊界條件或設(shè)置端口設(shè)置不正確，仿真的結(jié)果就會不正確。如圖：（2） 設(shè)置分析 建立好模型后，接下來就是使用HFSS軟件的分析功能來分析所建模型的性能。并且添加分析功能，然后設(shè)置器件所要工作的工作頻率，然后完成設(shè)置以后，開始分析。（3） 結(jié)算結(jié)果 仿真完成后，查看介質(zhì)諧振器天線的S11參數(shù)和場覆蓋圖。1.收斂性如圖： 2.創(chuàng)建終端S參數(shù)磁場圖，其效果如圖：可以看出，在5GHz

10、6.5GHz頻帶內(nèi)，反射系數(shù)S11變化劇烈，表明探針天線是一個窄帶器件。3. 創(chuàng)建二維遠場極坐標(biāo)圖 打開創(chuàng)建報告，設(shè)置報告類型為遠場，顯示方式為輻射格式，設(shè)置Mag卡：將種類設(shè)置為增益，其效果圖如圖所示： 圖1 2.5GHz方向圖 圖2 5.02GHz方向圖 圖3 7GHz方向圖天線的輻射特性可以形象的用方向圖來描述，有必要對此款天線的方向圖特性進行分析。當(dāng)阻抗帶寬最優(yōu)時，圖1、圖2和圖3分別是介質(zhì)諧振器天線E面和H面在2.5 GHz、5.02 GHz、7 GHz時的輻射方向圖。由圖可知發(fā)現(xiàn)天線在2.5 GHz的中頻段，方向圖基本穩(wěn)定。然而在在5.02GHz和7 GHz的高頻段，方向圖有所惡化，這直接導(dǎo)致天線工作于高頻段時輻射效率下降。在要求不太高的情況下，這款圓柱形介質(zhì)諧振器天線的輻射特性基本滿足要求。(4) 參數(shù)求解及優(yōu)化 1.參數(shù)求解： 首先定義變量，將探針位置的X坐標(biāo)設(shè)為變量a，將探針的高度設(shè)為height.同時加入輸出變量S11mag.分析得到求解結(jié)果為： 求解結(jié)果（圖形解） 求解結(jié)果（圖標(biāo)解）由圖可以看出，當(dāng)a=1,height=4時，S11mag最接近于1，也就是說這個封閉腔的諧振是駐波比