介质谐振器与介质谐振器天线的建模与仿真分析.doc

第3章介质谐振器与介质谐振器天线的建模与仿真分析 介质谐振器介质谐振器的流程图: 设计单位设置默认材料创建空气腔创建介质检查模型保存工程设置分析仿真查看计算结果创建场覆盖图参数扫描参数扫描结 介质谐振器的建模介质谐振器的模型有很多中, 本文主要是以圆柱形介质谐振器为参考, 其中, 介质谐振器的尺寸均是由本人视个人情况设定。本模型由三部分组成:谐振腔、谐振介质和基片,如图所示: 谐振器的设计与仿真分析(1) 开始前的准备工作上网下载电磁波仿真系统 HFSS 软件,进行安装。打开 HFSS 软件桌面快捷方式,启动 HFSS 软件。新建一个工程,名称为 ,然后设计解决方案类型。在 HFSS 软件中,具有三种求解方法。分别是受驱模式求解、受驱终端求解和本征模求解。下面是三种求解方式的区别: 本征模求解:计算结构的本征模或谐振是一般采用本征模求解方式。本征模求解可算出结构的谐振频率和在这些谐振频率出对应的场,也可计算出品质因数。因为本征模问题不包含端口和源,所以介质谐振器运用的求解方式是本征模求解方式。受驱模式求解:想用 HFSS 计算基于微波传输带、波导、传输线等被动高频结构的基于模式的 S参数时,选用 Driven Modal 。S参数解决将用一系列波导模的入射和反射能量来表示。受驱终端求解: 想用 HFSS 计算基于终端的多导体传输线端口的 S参数时, 采用受驱终端求解。(2)设计模型单位选择软件的单位以毫米为单位。(3)创建空气腔选择菜单项创建空气腔,其圆柱体的基坐标为( x=0,y=0,z=0 ),并且键入半径为 15mm ,高度为 10mm 。并且勾选显示框架项。谐振腔谐振介质谐振器基片( 4)创建新材料由于介质谐振器是由高介电常数和低损耗的介质材料制成,所以要创建高介电常数的材料。我们在三维模型材质中创建新材质,其中,谐振介质的介电常数 r?=36 ,命名为 DielRes. 在实际天线设计中,谐振器要放在介质基片之上,基片下面是接地板,接地板如果与谐振器较近就会对谐振频率和品质因数有影响,而且谐振器材料的介电常数必须远大于基片的介电常数。所以设置谐振基片的介电常数 r?=. 命名为 subs 。( 5)创建基片和介质创建基片位置为( x=0,y=0,z=0 ),其中半径为 15mm ,高度为-1mm 。命名为 substrate 。设置材料为 subs 创建介质位置为( x=0,y=0,z=0 ),其中半径为 5mm 。高度为 5mm 。设置材料为 DielRes 。( 6)检查模型设置我们已经建立了完整的模型,分析之前唯一没做的是设定边界条件,我们应用系统默认的边界为理想电边界。由于本征模算法不需要端口激励,所以我们不设置激励。通过菜单项中的边界显示,得出如图结果: (7) 设置分析建好模型后,接下来是使用 HFSS 软件的分析功能来分析模型的微波性能, 首先添加分析功能,然后设置器件所要工作的工作频率。完成设置后,开始分析模型。在分析设置中,主要设置工作频率,求解频率是用来自动划分网格的,所以不要设置的太低,计算会不精确,一般取中心频率。即设置最小频率为 3GHZ : 设置模式数目为 6:设置最大步数为 14,设置频率每步最大变化为 25% 。最小收敛步数为 3.( 8)仿真建立好模型和设置分析后,检查模型边界设置后,就可以仿真模型了,其模型验证如图所示: 接下来就是执行仿真求解。(8) 计算结果对于介质谐振器,需要关注的参数是介质谐振器的谐振频率,各个谐振模式在谐振器内部的场强分布,由于没有激励,所以没有 S参数。查看结果数据,其收敛性如图所示: 切换到本征模数据选项卡,如图所示,可以看到这些模成对出现,他们是衰减模。接下来通过单个模查看收敛性,如图所示,在第七步后软件得到的模的频率趋于常数。容易看出模 5和 6以及 1和 2实际上同一个模。(9) 场覆盖图 ,经过一系列设置后,同时可以改变激励模,可以看到模型在 XZ 平面上不同模的电场幅度分布图。如图所示: 模1 的电场幅度分布模2 的电场辐射分布模3 的电场辐射分布模4 的电场辐射分布模5 的电场辐射分布模6 的电场辐射分布 ,经过一系列设置后,同时可以改变激励模,可以看到模型在 XZ 平面上不同模的电场幅度分布图。模1 的磁场幅度分布模2 的磁场幅度分布模3 的磁场幅度分布模4 的磁场幅度分布模5 的磁场幅度分布模6 的磁场幅度分布 3. 在自定义面上绘制电场辐射分布( 仅表述出模 1 的电场辐射分布, 其他五个不一一列出了) ( 10) 参数扫描将谐振介质的高度设为变量,查看当介质谐振高度发生变化时,对谐振频率有什么影响, 当变量为多少时,高度的增加对