Шишаков К.В. (ред.). Моделирование антенн и элементов тракта - Учебно-методическое пособие для выполнения курсовых и самостоятельных работ
Подождите немного. Документ загружается.
51
экрана появляется сообщение с запросом выбрать двумерный 2D объект:
«Select a 2D object».
2. Нажимаем на один угол верхнего двумерного объекта, чтобы
выбрать его. Затем нажимаем на соответствующий ему угол нижнего
двумерного объекта, чтобы также выбрать его. Появляется диалог шаблона
объекта (рис. 9; диалог шаблона объекта).
3. Нажимаем OK. Выше основания появляется рупорная труба (рис.
10).
Рис. 10. Рупорная антенна. рис. 13. Законченная рупорная антенна.
Рис. 11. Рис.12.
8. Объединение основания антенны с рупорной трубой.
1.Чтобы объединить основание и трубу нажимаем 3D Objects > Unite.
Появляется диалоговое окно Object Unite (рис. 11; диалог объединения двух
трехмерных объектов).
2. В списке объектов 3D выбераем имена в списке — bох и connect0.
3. Назовём новый объект именем horn и нажмите OK.
52
После этого на экране отображена законченная рупорная антенна.
9. Черчение воздушной 3D коробки вокруг рупорной антенны.
1. Чтобы рассчитать поле рупорной антенны в дальней зоне, надо
поместить её внутрь некоторого объема – бокса, на поверхности которого
будут установлены условия излучения. Нажимаем 3D Objects > Box.
2. Начертим прямоугольник в пространстве черчение. Появляется
шаблон бокса (рис. 12, шаблон для воздушного бокса).
3. Заполняем шаблон, после нажимаем OK.
Законченная рупорная антенна имеет вид, представленный на рис. 13.
10. Определение портов
1. Из главного экрана нажимаем Boundaries > Add.
Отображается диалоговое окно Define Port or Boundary Condition (рис..14).
Рис. 14. Диалог задания портов и граничных условий рупорной антенны.
2. Рупорная антенна имеет один порт. Из диалогового окна Define Port
or Boundary Condition нажимаем на Enter Number of Ports and Modes.
Зададим один порт по количеству портов антенны и один тип волны.
3. Чтобы задать сечение и геометрию порта, нажимаем на Add>3 Point
Plane. Диалоговое окно исчезает, позволяя Вам видеть структуру и нажать
на три точки, которые определяют плоскость границы, где находится порт.
4. Поместим курсор на вертикальной линии на порте рупорной
антенны и нажмём на неё.
5. Поместим курсор на еще двух точках в сечении порта и нажмём на
них. Когда три точки на плоскости границы были выбраны, появляется
сообщение в текстовой области внизу экрана, требуя, чтобы выбрали
лицевую сторону. Нажимаем OK. Диалоговое окно Define Port or Boundary
Condition восстанавливается, и звездочка (*) появляется рядом с именем
порта 1, указывая, что он определен.
53
11. Определение границы излучения
1. В примере рупорной антенны воздушная коробка box1 должна быть
описана как имеющая границы излучения. Этот тип границы позволяет
проводить моделирование излучаемого поля. Этот тип границы также
известен как граничное условие поглощения. Из диалогового окна Define
Port or Boundary Condition нажмите на Radiation> Add и затем Object
Name. Появляется диалоговое окно Named Boundary Selection (рис. 15).
2. Нажимаем на box1, а затем OK.
Рис. 15. Окно Named Boundary Selection. Рис.16.
12. Определение проводящих границ.
1. В этом примере полная «рупорная» часть структуры должна быть
определена как проводник, то есть как окруженная с четырех сторон
металлическими площадками и внутренне состоящая из воздуха. Из
диалогового окна Define Port or Boundary Condition нажимаем на
Conductor> Add как тип границы.
2. Нажимаем на Object Name. Диалоговое окно Named Boundary
Selection отображается. Нажимаем на horn и OK.
Появляется диалоговое окно подтверждения и имя CONDUCTOR_3
отображается в списке Ports and Boundaries Currently Defined.
13. Определение границы апертуры.
1. Из диалогового окна Define Port or Boundary Condition нажимаем
Restore> Add как тип границы.
2. Нажимаем на 3 Point Plane и устанавливаем три точки на вершине
апертуры.
3. Когда апертура выбрана правильно, нажимаем OK.
4. Щелкните Done. Диалоговое окно Define Port or Boundary
Condition исчезает. Все граничные условия теперь определены.
14. Определение линии полного сопротивления и калибровки.
1. Зададим в месте максимального поля РА линию полного
сопротивления и калибровки. Эта линия позволяет вычислить полное
54
сопротивление для порта. Для рупорной антенны мощность поля первого
типа волны максимальна в центре порта вдоль плоскости магнитной
симметрии. Линия калибровки устанавливает направление фазы для порта.
При решении задачи по ней происходит проверка фазы. В данном случае
линия калибровки и полного сопротивления совпадаю, то нужно провести
только одну линию.
2. включим опцию Snap to Grid, а Snap to Grid Points отключим в
окне установок проекта (Window > Project Preference).
3. В основном экране выбераем Boundaries > Port Calibration.
4. отмечаем галочкой опции Impedance и Calibration.
5. В области, помеченном Start нажмём Pick Point. Диалоговое окно
исчезает, позволяя выбрать точку на порте.
6. В области End нажимаем Pick Point. Диалоговое окно исчезает и
выбираем вторую точку на порте. Теперь Калибровочная и импедансная
линия заданы (рис. 16; калибровочная и импедансная линии).
15. Установки для решения.
Рис. 17. Окно HFSS Simulation Configuration.
1. Из основного экрана для примера рупорной антенны нажимаем
Solve > Setup. Появляется диалоговое окно HFSS Simulation Configuration
(рис. 17).
55
2. Используя закладку Refinement задаём установки решения для
рупорной антенны: разбиение – initial и типы волн – all.
3. В поле для пересчета сетки на частотах Mesh Frequency Override,
отметим поле для Refine at a Specified Frequency, и введём частоту 10ГГц.
4. На закладке Frequencies Введём начальную частоту 9 и конечную
частоту 11. Установим количество точек в этом диапазоне равным 10. Жмём
OK.
5. В основном окне выберем Solve > Run.
Появляется диалоговое окно Run, позволяя установить режим запуска на
решение задачу и установить день и время начала решения.
6. Щелкаем OK.
16. Постпроцессорная обработка.
1. Запуск Постпроцессора. Из экрана Main нажимаем Post > Post
Processor. Диалоговое окно Post Processor отображается.
2. Просмотр поля в дальней зоне. Выбираем Far Field > Far Field Plot.
Появляется диалог поля в дальней зоне. Установим галку на Normalize. Ok.
Получим нормализованную трехмерную диаграмму направленности
рупорной антенны (рис. 18; нормализованная трехмерная диаграмма
направленности рупорной антенны).
Рис. 18. Рис.19.
3. Чтобы посмотреть полярную ДН (рис. 19; полярная ДН) нажимаем
Far Field>Plot Far Field Cut. Выбираем Polar затем Apply.
4. Там же можно посмотреть сечение диаграммы направленности в
прямоугольной системе координат (рис. 20; сечение диаграммы
направленности в прямоугольной системе координат).
5. Чтобы посмотреть расчет антенных характеристик (рис. 21),
нажимаем Far Field>Antenna Parameters.
6. Чтобы посмотреть S-параметры, нажимаем Plot> S Mag Plot>.
Появится график, который изображен на (рис.22).
56
Рис. 20. Рис.22. S-параметр
Рис. 21. Диалоговое окно антенных параметров.
57
6. Исследование характеристик направленности зеркальной
параболической антенны в п/п Microwave Studio
Исходные данные. Прямофокусная параболическая антенна (рис. 1).
Диапазон частот f
min
=9 ГГц, f
max
=11 ГГц. Размеры параболы приведены в
таблице 1 (см. ниже).
Рис..1. Параболическая антенна. Рис. 2. Плоский фронт волны.
Основные теоретические сведения.
Принцип действия зеркальных антенн в режиме передачи заключается
в преобразовании с помощью хорошо отражающей поверхности
специальной формы (зеркала) поля слабонаправленного первичного
источника (облучателя) во вторичное поле, реализующее заданные
направленные свойства антенны в целом. Обычно в зеркальных антеннах
осуществляется преобразование широкой ДН облучателя в узкую ДН
антенны.
Для расчёта профиля зеркала, обеспечивающего плоский фронт волны
в раскрыве (рис. 2), используется закон равенства оптических длин путей
между фронтами. Профиль зеркала представляет собой поверхность
параболоида вращения, которая получается в результате вращения параболы
вокруг оптической оси. В прямоугольной системе координат уравнение
параболического профиля (рис. 3) имеет вид y
2
= 4fx , где y = h-глубина
зеркала, f-фокус антенны, x=D/2- половина размера раскрыва.
Подставив y = h и x= D /2, получаем: D
2
=16 f h . Формула указывает на
то, что геометрия зеркала полностью определяется заданием любой пары
параметров. Наиболее употребительной является пара L, f. Профиль зеркала
определяется только фокусным расстоянием f. Увеличение фокусного
расстояния при заданном L ведёт к уменьшению глубины зеркала - зеркало
становится более мелким. Уменьшение фокусного расстояния при тех же
условиях делает зеркало более глубоким.
Облучатель зеркальной антенны представляет собой конический
рупор.
58
Конический рупор обычно возбуждается отрезком круглого волновода,
в котором распространяется волна типа H
11.
Рис. 3. Геометрические характеристики зеркала.
Радиус волновода определяется из условия: 3.41а > λ > 2.61a .
Оптимальная длина рупора R, зависит от диаметра d: R
опт.кон
= d
2
/2.4 λ +0.15λ
. Ширина диаграммы направленности в плоскости H определяется по
формуле: 2θ
0.7
=60λ/d .
Зеркальные антенны широко применяются практически во всех
отраслях радио техники из-за простоты конструкции, больших
коэффициентов усиления и узких ДН, широкой полосы пропускания,
высокого КПД. и т. п.
Выполнение работы.
1. Расчёт геометрических размеров зеркала и облучателя.
1.1. Расчёт облучателя.
Определяем радиус волновода. а=0.01м, диаметр раскрыва и
оптимальную длину рупора: d=0.036м. R
опт.кон
= 0.025м. Зная длину и
диаметр раскрыва, найдём половину его угола раствора ψ. Ψ=53
0
.
1.2. Расчёт зеркала.
Выберем размер раскрыва зеркала D= 0.4 м. Через угол раствора
рупора определим фокусное расстояние f=0.2/tg(53
0
)=0.151м. Находим
глубину зеркала h=0.066. Решая уравнение параболы, находим координаты
ее точек. Составим таблицу 1.
Таблица 1. Координаты параболы.
Фокус, f мм. 151 151 151 151
151 151 151
Х мм 2 8 16 32 48 54 66
У=
4f
х
мм
34.7 69.5 98.3 139
170 180.6
200
59
2. Открытие программы CST Microwave Studio 5.0.
Для начала моделирования необходимо открыть программу, т.е. запустить
файл mwstudio.exe. После чего откроется программа.
3. Создание нового проекта.
Для создания нового проекта выполняем следующие операции:
1. Выбираем File > New.
Выбираем Antenna (in Free Space, waveguide) в диалоговом окне Create a
New Project
4.Рисование зеркала антенны.
Выберем единицы измерения (мм) .выполняем следующие операции:
1. Нажимаем solve>units.
Зеркало представляем как множество элементарных усечённых конусов
радиусами Х и высотой У. Согласно данным таблицы, рисуем антенну:
1. Нажимаем Objects >Basic Shapes>cone.
2. Нажимаем Esc. Появится диалог cone
3. Установим радиус Bottom radius 180.6 , Top radius 200 Zmin=54,
Zmax=66, Material как PEC. Жмём OK. Появится (рис.4).
Рис. 4. Элемент зеркала. Рис. 5.Зеркало из усечённых конусов.
4. Точно также рисуем остальные элементы зеркала, вводя данные из
таблицы, справа налево. Готовое зеркало представлено на рис. 5.
5. Далее надо объединить все созданные элементы зеркала в один. Для
этого в дереве навигации выбираем Components>Component1>solid1.
Затем нажимаем Objects>Boolean>Add. Курсором выбираем solid2.
Нажимаем Enter. solid2 и solid1 должны объединится в solid1. Аналогично
объединяем solid3 и solid1 и т.д.
6. Необходимо вырезать отверстие в зеркале. Для этого нажимаем
Objects > Pick> Pick Face.
Нажимаем Objects > Pick> Pick Face.
Затем нажимаем Objects>Shell solid or Thicken Sheet. Появится
диалог Shell.
Direction выбираем как Inside, Thickness=1 (толщина). Появится рис. 6.
60
Рис. 6. Зеркало антенны. Рис.7. Зеркальная параболическая антенна.
5. Рисование облучателя антенны.
1. Перенесём систему координат на расстояние чуть меньше фокусного
f=147мм. Нажимаем WCS >Local Coordinate System. Затем нажимаем
WCS> Move Local Coordinates. Появляется диалог Move Local Coordinates
System.
2. Введем DW=151
3. Рисуем волновод. Нажимаем Objects >Basic Shapes>Cylinder.
4. Нажимаем Esc. Появится диалог Cylinder.
Установим Outer radius 10 ,Wmin=0, Wmax=10.
5. Рисуем апертуру рупора. Нажимаем Objects >Basic Shapes>cone.
6 Нажимаем Esc. Появится диалог cone
7. Установим радиус Bottom radius 18, Top radius 10 Wmin=-9.8,
Wmax=0, Material как PEC. Жмём OK.
8. Объединяем цилиндр и волновод.
9.Вырезаем отверстие в рупорной антенне. Для этого нажимаем
Objects > Pick> Pick Face.
Нажимаем Objects > Pick> Pick Face.
Затем нажимаем Objects>Shell solid or Thicken Sheet. Появится
диалог Shell.
Direction выбираем как Inside, Thickness=1 (толщина). Получаем
зеркальную параболическую антенну рис. 7.
6. Задание порта.
Для задания порта выполняем следующие операции:
Нажимаем Objects>Pick>Pick Face, щёлкаем на основание волновода.
Нажимаем Solve>Waveguide>Ports, чтобы определить порт. Появится
диалог Waveguide Ports . Нажимаем ОК.