Шишаков К.В. (ред.). Моделирование антенн и элементов тракта - Учебно-методическое пособие для выполнения курсовых и самостоятельных работ
Подождите немного. Документ загружается.
41
Рис. 16. Рис.17. Рис.18.
После этого выделите solid1 в дереве навигации (обязательно). Затем
нажимаем Objects>Shell solid or Thicken Sheet. Появится диалог Shell рис.
17 (диалог Shell).
Direction выбираем как Inside, Thickness=0,5 (толщина). Нажмите ОК.
Появится рис. 18 (рупорная антенна).
6. Задание порта.
Для задания порта выполните следующие операции:
1. Нажмите Objects>Pick>Pick Face. Двойным щелчком выберете
волновод, как показано на рис. 19 (выбор волновода).
Рис. 19. Рис.21. Рис.22.
2. Нажмите Solve>Waveguide>Ports, чтобы определить порт. Появится
диалог Waveguide Ports (рис. 20; диалог Waveguide Ports). Нажмите
ОК (оставьте параметры по умолчанию).
3. Нажмите Ctrl+W, чтобы установить режим визуального наблюдения
(рис 21; режим визуального наблюдения).
7. Задание частотного диапазона.
Для задания частотного диапазона нажмите Solve>Frequency.
Появится диалог Frequency Range Setting (рис. 22; диалог Frequency Range
Setting). Установите Fmin= f
0
-2ГГц, Fmax= f
0
+2ГГц .
9. Условия границы.
Выбираем Solve>Boundary Conditions.
Будем производить вычисления антенны для свободного пространства,
поэтому вкладку Boundaries (границы) оставляем без изменений. Во
вкладке Symmetry planes (границы симметрии) выбираем YZ plane как
42
magnetic (Ht=0), XZ plane как electric (Et=0), как показано на рис. 23
(диалог Boundary Conditions). Нажмите ОК.
Рис. 20. Рис.24.
Рис. 23. Рис.25.
9. Определение монитора.
Выберете Solve >Monitors. Появится диалог Monitors (рис. 24; диалог
Monitors).
43
Установите Frequency=f
0
. В Type выберете Farfield/RCS, нажмите
Apply, в Type выберете E-Field, нажмите Apply, в Type выберете H-
Field/Surface current, нажмите Apply, Нажмите ОК.
10. Выбор параметров решающего устройства.
Выберете Solve>Transient Solver. Появится диалог Solver Parameters
(рис. 25; диалог Solver Parametrs). Нажмите Start.
11. Просмотр S-параметров.
Чтобы посмотреть S-параметры, откройте папку 1D Results>/ S/ dB
дереве навигации. Появится график, который изображен на рис. 26 (S-
параметр).
Рис. 26. Рис.27. Рис.28.
Активизируйте маркер в контекстном меню, установите его на f
0
. Так
как формулы 2 и 3 имеют не строгие равенства, резонансная частота может
находиться чуть правее или чуть левее. В данном случае у рупорной антенны
с f
0
= 6,5ГГц резонанс находится чуть правее.
Это можно исправить изменяя N (длинна рупора от конца волновода).
Если резонанс чуть левее f
0
,то N надо уменьшать. Если резонанс чуть правее
f
0
,то N надо увеличивать (±5мм).
Если у вас f
0
не совпадает с резонансом, чтобы изменить N выполните,
следующие операции:
1. Двойным щелчком выберите solid1 в дереве навигации. Появится
диалог History Tree рис. 27 (диалог History Tree).
2. Выберите Define Brick и нажмите Edit. Появится диалог Brick рис.
28 (диалоговое окно Brick).
3. Изменяя Zmin и Zmax, можно отодвинуть или приблизить
волновод. Например: Zmin=-5 и Zmax=-(a+5), тем самым волновод
отодвинется назад и N увеличится на 5 мм.
4. Нажав ОК, появится диалог Result May Become Incompatible to
Structure. Выберете Delete Current Result и нажмите ОК.
5. Затем снова запустите решающее устройство (пункт 10).
12. Просмотр сигналов порта.
Чтобы посмотреть сигналы порта, откройте папку 1D Results>Port
signals в дереве навигации. Появится график, который изображен на рис. 29.
44
Рис. 29. Сигнал порта. Рис. 30. S-параметр.
Этот график показывает отклонение амплитуды в порту по времени.
i1 - это смежная амплитуда, о1;1 - отраженная.
13. Просмотр S-параметров (с изменением N).
Чтобы посмотреть S-параметры, откройте папку 1D Results>/ S/ dB
дереве навигации. Появится график, который изображен на рис. 30.
Увеличив N на 5 мм, частота резонанса рупорной антенны получилась
около 6,5 ГГц. В силу широкополосности рупорных антенн возникают
резонансы и на других частотах.
14. Просмотр режимов порта.
Чтобы посмотреть режимы порта, откройте папку 2D/3D Results>Port
Modes>Port1 в дереве навигации. Чтобы просмотреть электрическую
область фундаментального режима порта, выберете папку e1 (рис. 31;
электрическая область фундаментального режима порта). Чтобы
просмотреть анимацию, нажмите Animate Fields в контекстном меню.
Рис. 31. Рис.32.
Так же можно посмотреть например, тип волны ТЕ10(Н10) , константы
распространения, полное сопротивление.
15. Просмотр распространения волны Н10 в рупорной антенне.
Чтобы посмотреть распространения волны Н10 в рупорной антенне
(рис. 32; распространение волны Н10 в рупорной антенне с резонансной
45
частотой 6,5 ГГц), откройте папку 2D/3D Results>E-Field>e-field (f=
f
0
)[1]>Abs в дереве навигации.
Чтобы просмотреть анимацию, нажмите Animate Fields в контекстном
меню. Нажмите Plot Properties в контекстном меню и можете менять
настройки просмотра анимации.
16. Просмотр распределения тока на поверхности металла.
Чтобы посмотреть распределения тока на поверхности металла в
рупорной антенне (рис. 33), откройте папку 2D/3D Results>Surface
Current>h-field (f= f
0
)[1]> в дереве навигации.
Рис. 33. Распределения тока на поверхности металла в рупорной антенне с
резонансной частотой 6,5 ГГц.
Чтобы просмотреть анимацию, нажмите Animate Fields в контекстном
меню. Нажмите Plot Properties в контекстном меню и можете менять
настройки просмотра анимации.
17. Просмотр диаграммы направленности.
Чтобы просмотреть ДН (рис. 34), нажмите Farfields>farfield (f= f
0
)[1]
в дереве навигации.
46
Рис. 34. Трехмерная ДН рупорной антенны с резонансной частотой 6,5 ГГц.
Чтобы улучшить параметры рисунка, нажмите Results>Plot Properties.
Изменяя Step, можно добиться лучшей картинки.
Чтобы посмотреть полярную ДН (рис. 35), нажмите Results>Plot
Properties. Выберите Plot type как Polar.
Рис. 35. Полярная ДН рупорной антенны с резонансной частотой 6,5 ГГц.
Полярная ДН может дать больше информации.
18. Сохранение проекта. Для сохранения Проекта на диске, из меню File
(Файл) выберите Save (Сохранить) или Save As (Сохранить как). Далее
задайте имя проекта и место сохранения.
47
5. Исследование характеристик направленности рупорной
антенны в п/п HFSS
Задание: исследовать рупорную Н-секториальную антенну,
изображенную на рис. 1 со следующими характеристиками: рабочая частота
f
0
=10 ГГц; исследуемый диапазон частот f
min
=9 ГГц , f
max
=11 ГГц; 2θ
0.5
= 20
0
(ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности в Н
плоскости).
Рис.1. Рупорная антенна. Рис. 2. ДН рупорной антенны.
Основные теоретические сведения.
Рупорная антенна относится к классу дифракционных. В основе
принципа ее действия лежит возможность излучения электромагнитных волн
поверхностями, на которых тем или иным способом создано заданное
распределение векторов напряженности электрического Е и магнитного Н
поля. Антенна представляет собой отрезок волновода с плавно
увеличивающимися к раскрыву размерами поперечного сечения. Если
поперечное сечение рупора прямоугольное, а его размер изменяется только в
плоскости магнитного вектора, то такой рупор называют Н-секториальный.
ДН рупорной антенны содержит сигарообразный главный лепесток,
зависимый от угла раствора Ф при постоянной длине рупора L и небольшое
число слабых боковых лепестков (рис. 2).
Сначала высчитывают длину волны по формуле: λ= с/
0
f
, где с -
скорость света;
0
f
- резонансная частота. Для канализации
электромагнитной энергии в прямоугольных волноводах в большинстве
случаев используется волна типа H
10
. Для того чтобы распространялась
только волна типа H
10
, необходимо выполнить условие: λ/2 < a < λ; b < λ/2.
Стандартные сечения прямоугольных волноводов приведёны в таблице 1.
Таблица 1. Стандартные сечения прямоугольных волноводов
Сечение волновода Диапазон длин
волн
а, мм b, мм
4 мм 3.6 1.8
8 мм 7.2 3.4
3 см 23 10
10 см 72 34
48
Н- плоскостной секториальный рупор описывается геометрическими
параметрами (рис.3): L- длина (высота треугольника), R- длина стороны, Ф-
угол раствора рупора, N - длинна рупора от конца волновода, а А- размер
раскрыва.
Рис. 3. Размеры и структура поля Н- секториального рупора.
Длина оптимального рупора определяется из формулы:
Ширина ДН оптимального Н- плоскостного рупора в Н- плоскости
приближенно определяется по формуле: 2θ
0.5
=80λ/А . Чтобы длина рупора не
превышала допустимых на практике размеров, рупорные антенны обычно
применяют для формирования не очень острых диаграмм (обычно не уже 20-
30
◦
, т.к. длинна R пропорциональна квадрату размера раскрыва А). Высоту
треугольника L находим из формулы Длина рупора от
конца волновода: N=L(1-a/A) .
Выполнение работы.
1. Расчёт геометрических размеров рупора.
В соответствии с приведенными выше формулами выбираем: λ=0.03м,
a=23 мм, b=10 мм. А=0.12м. R=0.16м. L =0.148м, N=0.12м.
Дальнейшее моделирование антенны будем вести в программе HFSS.
2. Создание и обозначение проекта.
1 . Запускаем программу HFSS. Появляется менеджер проектов.
2. В списке Projects нажимаем New. Появляется диалоговое окно New
Project.
3. Печатаем имя rupor в поле New Project. Нажимаем OK.
3. Установки проекта.
1. Во всплывающем окне Project preferences установим единицы
измерения Units в мм. А размер рабочего поля ограничим 300 мм. Нажимаем
OK.
Чтобы нарисовать рупор, используются команды черчения и команды
соединения для создания трехмерных 3D объектов из двух двумерных 2D
объектов: дна и верха рупора.
49
4. Черчение основания рупора.
1. Нарисуем отрезок волновода. Из основного экрана нажмите Model >
Draw. Отображается экран черчения.
2. Нажмите 3D Objects > Box.
3. Нажмите первую точку в активном окне черчение. Чтобы нарисовать
бокс, щелкните мышью снова, чтобы определить противоположный угол
бокса. Отображается диалог шаблона бокса Box Template (рис. 4). Набираем
геометрически размеры волновода.
Рис. 4.Диалог Box Template. Рис.6.
В результате получаем основание рупора, показанное на (рис. 5).
Рис. 5. Основание рупора. Рис. 8. Верхнее сечение рупора.
5. Черчение основания двумерного прямоугольника.
1. Чтобы создать «трубу», или сужающуюся часть рупорной антенны,
нарисуем два прямоугольника, и затем соединим их, чтобы создать
расширяющуюся трубу. Размещаем первый прямоугольник прямо на
50
вершине основания антенны, которую начертили. Нажмите Window >
Project Preferences.
2. Нажимаем Snap to Object Points, чтобы включить привязку к
точкам объекта, а затем нажимаем OK.
3. Нажимаем 2D Objects > Rectangle.
4. Перемещаем курсор в один угол основания антенны и нажмите на
него.
5. Перемещаем курсор в противоположный угол основания антенны, и
щелкаем снова.
Отображается шаблон прямоугольника. Размеры прямоугольника
должны соответствовать размеру основания антенны в плоскости XoY (рис.
6; двумерный прямоугольник, совпадающий с верхним сечением основания
рупора), нажимаем OK.
6. Черчение апертуры рупорной антенны.
1. Теперь нарисуем двумерный прямоугольник, который представляет
верхнее сечение рупорной антенны, или апертуру рупорной антенны.
Нажимаем 2D Objects > Rectangle.
2. Перемещаем курсор куда-нибудь выше бокса, который уже
отображен на экране, и кликаем для определения угла апертуры.
3. Перемещаем курсор, чтобы определить противоположную апертуру
угла, и щелкните снова. Появляется диалог шаблона прямоугольника (рис. 7;
заполнение шаблона прямоугольника апертуры рупорной антенны.).
4. Заполняем шаблон в диалоге, вводим значения N+а (общая высота
антенны) и размер раскрыва апертуры А. После этого жмём OK.
Рис. 7. Рис. 9.
Появляется двумерный прямоугольник (рис. 8).
7. Соединение двумерных 2D объектов
1. Теперь можно объединить нижнее и верхнее основание рупорной
трубы, чтобы создать трехмерный пирамидальный объект. Нажимаем 3D
Objects > Connect. Заметим, что в нижнем левом углу текстовой области