Шишаков К.В. (ред.). Моделирование антенн и элементов тракта - Учебно-методическое пособие для выполнения курсовых и самостоятельных работ
Подождите немного. Документ загружается.
91
открываем щелчком правой кнопки мыши контекстное меню: Load from
Material Library… (такая же команда есть и в меню Solve), выбираем Silver
(серебро)/Load. После добавления нового материала из библиотеки, во
вкладку Materials добавится новый материал - Silver.
8. Далее в дереве проекта выбираем созданную выше фигуру:
Components/component1/solid1, открыв контекстное меню, выбираем:
Change Material Далее в открывшемся диалоговом окне в меню Material
выбираем Silver (рис.4; выбор материала).
После того как вы изменили материал фигуры, ее цвет сменится на
желтый. Создаем аналогичным образом еще один параллелепипед, который
будет соответствовать внутренней полости прямоугольного волновода, так
чтобы толщина всех стенок волновода была равна 1 мм. (Xmax= a–1, Ymax=
b–1, Zmax= l–1, Xmin=Ymin=Zmin=1).
9. После установки размеров фигуры Solid2 в окне Brick, откроется
диалоговое окно Shape Intersection (Перекрытие структур), выбираем Insert
highlighted shape (рис. 5; вставка структуры).
Рис.5. Рис.6.
Материал фигуры Solid2 выбираем – вакуум (vacuum). Для того чтобы
увидеть полость внутри структуры solid1 на панели задач нажимаем кнопку
(Wireframe mode).
Полученную трехмерную модель можно просматривать с различных
ракурсов, используя инструменты команды View/mode… Далее
аналогичным образом создаем отрезок коаксиального кабеля при помощи
команды Objects/Basic Shapes/Cylinder… или нажимаем кнопку (Create
92
Cylinder) на панели инструментов. Четырьмя двойными щелчками получаем
заготовку цилиндра. В открывшемся диалоговом окне Cylinder (рис.
6)станавливаем следующие параметры фигуры: Orientation (ориентация оси
симметрии) – Y; Outer Radius – 2,5; Inner Radius – 0; Xcenter – a/2; Zcenter –
l/2; Ymin – b ; Ymax – b*2 ; Material – Silver.
Полученная фигура будет располагаться строго по центру верхней части
элемента прямоугольного волновода.
10. Далее аналогичным образом создаем второй цилиндр – диэлектрик
внутри отрезка коаксиального кабеля. С одной стороны диэлектрик не
должен выходить за верхнюю грань отрезка коаксиального кабеля, а с
другой должен соприкасаться с диэлектриком расположенным внутри
прямоугольного волновода. Orientation – Y; Outer Radius – 2; Inner Radius –
0; Xcenter – a/2; Zcenter – l/2; Ymin – (b–1); Ymax – b*2; Material – Silver,
материал – вакуум. В диалоговом окне Shape Intersection выбираем – Insert
highlighted shape.
11. Далее создаем фрагмент центральной жилы коаксиального кабеля.
Диаметр центральной жилы – 1 мм; материал – серебро (Orientation – Y;
Outer Radius – 0,5; Inner Radius – 0; Xcenter – a/2; Zcenter – l/2; Ymax – b*2;
Material – Silver.). В качестве Ymin выбирается максимальное значение из
двух (b–1–λ/4) и (b/2). В диалоговом окне Shape Intersection выбираем –
Insert highlighted shape.
Центральная жила должна выступать во внутреннюю полость
прямоугольного волновода подобно небольшой антенне.. Чтобы посмотреть
структуру в разрезе используем инструмент (Cutting Plane) на панели
инструментов или из меню View/Cutting Plane… Для выключения данного
режима в диалоговом окне Cutting Plane убираем галочку Use Cutting Plane.
Теперь окно подсказок QuickStart Guide может быть закрыто. На рис.7
представлена окончательная модель волноводно-коаксиального перехода
Моделирование электромагнитного поля
Используя полученную структуру, промоделируем процесс образования
электромагнитных волн. Энергию электромагнитных колебаний будем
подавать через отрезок коаксиального кабеля вовнутрь прямоугольного
волновода. Для этого обозначим «порт подачи энергии».
1. Поворачиваем component1 так, чтобы было видно верхнее основание
цилиндра. Выделяем, удерживая клавишу «Ctrl», в дереве проекта фигуры
Solid4 (диэлектрик коаксиального кабеля) и Solid5 (центральная жила). При
помощи команды Objects/Pick… выбираем инструмент Pick Face
(определить плоскость). Затем двойным щелчком выделяем верхнюю грань
цилиндра (рис.8). Это необходимо для указания той плоскости, куда
помещается порт подачи энергии.
2. Обозначаем порт подачи энергии при помощи команды
Solve/Waveguide Ports…, в открывшемся диалоговом окне Waveguide Port
установить: Name– 1; Coordinates – Use Picks; остальные параметры
оставляем без изменений.
93
3. Устанавливаем частоту электромагнитных колебаний при помощи
команды Solve/Frequency… Так как нами уже установлены единицы
измерения частот в гигагерцах, то выбираем Fmin – 2,7 ∙ 108/ λ
0
; Fmax – 3,3∙
108/ λ
0
.
4. Далее через меню Solve указываем граничные условия (Boundary
Conditions) (рис. 3.2.9), при которых будет проводиться моделирование. В
диалоговом окне Boundary Conditions выбираем вкладку Symmetry Planes.
Так как структура симметричная в плоскостях YZ и XY то указываем это
условие в Symmetry Planes (рис. 9). Такой прием позволяет сократить время
необходимое для моделирования.
Рис.8. Выбор порта ввода энергии
Рис.9. Указание плоскостей симметрии
5. При помощи команды Solve/Field Monitors… указываем, модели
каких полей мы хотим получить (электрической или магнитной природы).
Выбираем в диалоговом окне Monitor: Type – E-field , нажимаем указателем
мыши «Apply», затем выбираем Type – H-field/Surface current, нажимаем
94
«Ок». В дереве проекта во вкладке Monitors добавятся две вкладки E-field и
H-field, в скобках будет указана частота изменения поля.
Теперь проект полностью готов для моделирования.
6. Далее при помощи меню Solve/Transient Solver… или нажатием
кнопки (Solver) на панели инструментов, открываем диалоговое окно Solver
Parameters (рис. 10), устанавливаем: Accuracy (точность): –40; Source Type
(тип источника) – Port1; Mode – 1.
Запускаем процесс расчета полей кнопкой Start.
Рис.10. Параметры моделирования
По завершению процесса моделирования в дереве проекта, во вкладке
2D/3D Results добавятся результаты моделирования, которые можно увидеть,
раскрывая необходимые пункты в дереве проекта.
Результаты моделирования:
Открываем вкладку 2D/3D Results. Для отображение направления и
модуля электрического и магнитного полей выбираем вкладку E-field и H-
field соответственно.
95
11. Моделирование микрополоскового бинарного
делителя мощности в п/п HFSS
Исходные данные: рабочая частота 3.5 Ггц; входное сопротивление 110
Ом; материал подложки ФАФ -4Д.
Рис.1. Бинарный делитель мощности.
Выполнение. Делитель (Рис.1) обеспечивает равное по амплитуде и
синфазное деление входной мощности. Такие делители используются для
питания антенных решеток и в СВЧ устройствах.
Входные линии делителя имеют одинаковое значение импеданса Z
0
. В
точке разветвления выходные линии делителя соединены параллельно,
следовательно, импеданс в этой точке имеет значение
0
0.5
ZZ
= . Для
согласования этого сопротивления с входной линией следует использовать
четвертьволновый согласующий трансформатор – отрезок линии передачи с
импедансом
0
10
2
Z
ZZZ=⋅= .
Длина участка, имеющего волновое сопротивление Z
1
, должна
составлять четверть длины волны.
1. Запускаем программу HFSS. Открываем новый проект.
2. При помощи вкладки 3D Objects > Box рисуем диэлектрическую
подложку произвольного размера толщиной два милиметра. Над ней
рисуем бокс №2 высотой 20 миллиметров.
3. Далее при помощи вкладки 2D Objects > Rectangle рисуем отрезок
микрополосковой линии шириной 1 миллиметр.
4. Из основного экрана нажимаем Materials > Assignment
устанавливаем материалы для микрополосковой линии Metal, для
бокса №2 - air, для микрополосковой линии создаем новый материал
FАF-4D с диэлектрической проницаемостью 2.5 и тангенсом угла
потерь 0.001.
5. Задаем и калибруем порты для частоты 3.5ГГц.
6. Определив в постпроцессоре входное сопротивление Z
0
полученной
линии, как видно из рис. 2 (входное сопротивление отрезка
микрополосковой линии) равное 112 ОМ, будем увеличивать
ширину микрополосковой линии до тех пор пока, не получим
входное сопротивлении равное Z
0
/2, то есть 56 Ом.
96
Рис.2.
Значение ширины микрополосковой линии при сопротивлении 56 Ом
соответствует ширине четвертьволнового согласующего трансформатора, и
равно четыре миллиметра.
7. Чертим микрополосковый делитель мощности, как на рис.3
(бинарный делитель мощности в HFSS). Длину согласующего
трансформатора определяем из условия λ/4.
Рис.3. Рис.4.
8. Из главного экрана нажимаем Solve > Setup. Устанавливаем режим
изменения частоты Start-Stop и вводим начальную частоту 2.5 (ГГц) и
конечную 4 (ГГц), с 4 равноотстоящими точками.
9. В основном окне выбираем Solve > Run.
Постпроцессорная обработка
1. В главном окне нажимаем Post > Post Processor.
97
2. Из меню постпроцессора выбираем S_Display > S Mag Plot.
Появляется окно Plot S Parameters
3. Строим графики зависимости S параметров от частоты.
Результаты представлены ниже: Рис..4 - зависимость от частоты
модуля коэффициента отражения S
11
; Рис.5 - зависимость от частоты
модуля коэффициента передачи S
12
; Рис.6 - зависимость от частоты модуля
коэффициента передачи S
13.
Рис.5. Зависимость от частоты модуля коэффициента передачи S
12
.
Рис.6. Зависимость от частоты модуля коэффициента передачи S
13.
98
12. Моделирование и исследование фильтра низких частот
в п/п Microwave Office (модуль Voltaire LS)
Модуль Voltaire LS (анализ линейных схем) является первым важным
модулем программного пакета Microwave Office.
Задание. Спроектировать фильтр низких частот (ФНЧ) со следующими
характеристиками: Частота среза фильтра f
ср
; Ослабление сигнала в полосе
пропускания не более L
П
; Полоса заграждения от f
заг
и больше; Затухание
сигнала в полосе заграждения не менее L
З
; Коэффициент отражения в полосе
пропускания не более К
отр
; Задержка сигнала в диапазоне пропускаемых
частот не более t
зад
; Коэффициент шума в диапазоне пропускаемых частот не
более К
ш
; Волновые сопротивления подводящих линий 50 Ом.
Выполнение работы.
1. Выбор структуры ФНЧ.
Требуется спроектировать фильтр с достаточно невысокой частотой
(500 МГц). Поэтому можно использовать сосредоточенные элементы
(индуктивности и конденсаторы). Выберем Т-образный фильтр, структура
которого показана на рис.1.
Рис. 1. Структура Т-образного фильтра.
Вкачестве Z1 используется индуктивность L, а в качества Z2 – емкость C.
2. Расчет количества звеньев – по теоретическим формулам.
3. Расчет параметров L и C– по теоретическим формулам.
4. Открытие программы Microwave Office.
Запустите файл real_MWOffice.exe из папки AWR.
5. Создание нового проекта.В меню
File выберите пункт New Project (новый
проект) (см. рис.2; создание нового
проекта).
6. Установка единиц измерения.
Из меню Options выберите команду Project Options, в появившемся окне
выберите вкладку Global Units и выберите единицы измерения частоты
MGz, инуктивности – nH.
Рис. 2
Z1/2
Z1
Z1 Z1/2
Z2
Z2
Z2 Z2
99
7. Создание новой схемы
В меню Project выберите пункт
Add Schematic (добавить схему)
и далее в подменю выберите
команду New Schematic (новая
схема) (см. рис.3).
В открывшемся диалоге Create
New Schematic (создайте новую
схему) введите название схемы,
на пример LPF (Low Pass Filter -
Фильтр нижних частот). (см.
рис.4). Далее нажмите OK.
8. Активизация просмотра элементов
Раскройте вкладку Elem (элементы) в нижней части окна проектов (рис. 5).
Рис. 5. Просмотр элементов.
9. Выбор элементов схемы
В иерархическом списке Elements (элементы схем) выберите пункт Lumped
Elements (элементы с сосредоточенными параметрами). Далее выберите
пункт Inductor, а далее значок IND (индуктивность) и, не отпуская левую
кнопку мыши перетащите его в окно схемы с именем Low Pass Filter
(фильтр нижних частот). В окне схемы элемент можно перемещать при
освобожденной левой кнопке. Для фиксации элемента на схеме сделайте
щелчок левой кнопкой.
Теперь из того же пункта Lumped Elements из пункта Capacitor добавьте
конденсатор. Для этого нужно перетащить элемент CAP в рабочее окно
схемы проекта, отпустить левую клавишу мыши, после чего нажать на
правую кнопку мыши, в результате элемент будет поворачиваться на 90° при
каждом нажатии. После того как элемент принял нужную позицию,
нажимаем левую кнопку и элемент фиксируется. Соединение конденсатора
с индуктивностью произойдет автоматически, если выводы двух
компонентов касаются друг друга. (см. рис. 6; соединение конденсатора и
индуктивности).
10. Копирование и вставка элементов схемы.
Для удобства работы в MWO предусмотрены копирование и вставка
элементов. Для этого выделите два элемента, CAP и IND, рисуя пунктирный
прямоугольник вокруг них, удерживая левую клавишу мыши и таща
выделение вокруг элементов. Из меню Edit (Правка) выберите Copy
(Копировать). Затем из меню Edit (Правка) выберите команду Paste
Рис. 3. Создание новой схемы
Рис. 4. Ввод имени новой схемы.
100
(Вставка), чтобы получить второе изображение (Вы можете так же
использовать клавиши Ctrl+С для копирования и Ctrl+V для вставки).
Вставьте эти два элемента еще раз, если для вашего варианта число звеньев
2, то это действие выполнять не нужно. Далее следует добавить
дополнительную индуктивность, чтобы сделать эту схему симметричной.
Этого можно добиться выбрав конденсатор из закладки Elements
(Элементы) и перетащив его на окно схемы. Установите элементы как
показано на рисунке 7. Число звеньев фильтра было определено в пункте 2.
Рис. 6. Рис. 7. Элементы фильтра.
11. Соединения элементов
Для соединения элементов используйте средство трассировки, чтобы
соединить выводы конденсаторов. Подведите курсор мыши на зеленый
квадратик, означающий узел одного из конденсаторов. Когда курсор
превратится в спиральку, произведено соединение с этим выводом.
Щелкните левой клавишей мыши и протащите пунктирную линию к другому
выводу. Затем следует щелкнуть курсором – знаки «X» превратятся в
зеленые круги, и появится проводник, соединяющий эти выводы, как
показано на рис. 8.
Рис. 8. Соединение элементов.
12. Редактирование параметров элементов.
Величины элементов можно изменять с помощью диалогового окна
Свойства, вызываемого двойным щелчком, по изображению элемента.
Измените параметры индуктивности L1, для этого два раза нажмите на этот
элемент, появится окно Element Options, выберете параметр L и в пункте
Value установите его величину в соответствии с вашим вариантом. Также вы
можете отредактировать параметр ID, который используется для
идентификации элементов. Смотрите рис. 9.