Шишаков К.В. (ред.). Моделирование антенн и элементов тракта - Учебно-методическое пособие для выполнения курсовых и самостоятельных работ
Подождите немного. Документ загружается.
81
Рис. 25.
10. Выбор параметров решающего устройства.
Выберете Solve>Transient Solver. Появится диалог Solver Parametrs
(рис. 26; диалог Solver Parametrs). Нажмите Start.
Рис. 26. Рис.27
11. Просмотр сигналов порта.
Чтобы посмотреть сигналы порта, откройте папку 1D Results>Port
signals в дереве навигации. Появится график, который изображен на рис. 27
(сигнал порта).
Этот график показывает отклонение амплитуды в порту по времени.
i1 - это смежная амплитуда, о1;1 - отраженная.
82
12. Просмотр S-параметров.
Чтобы посмотреть S-параметры, откройте папку 1D Results>/ S/ dB в
дереве навигации. Появится график, который изображен на рис. 28 (S-
параметр).
Рис. 28. Рис.29.
Активизируйте маркер в контекстном меню, и установите и
переместите маркер в минимум s1;1. Частота резонанса антенны около 2.4
GHz.
13. Просмотр режимов порта.
Чтобы посмотреть режимы порта, откройте папку 2D/3D Results>Port
Modes>Port1 в дереве навигации (рис. 29; электрическая область
фундаментального режима порта). Чтобы просмотреть электрическую
область фундаментального режима порта, выберете папку e1. Чтобы
просмотреть анимацию, нажмите Animate Fields в контекстном меню.
График также показывает важные свойства коаксиального режима как
например, тип ТЕМ режима, константы распространения, полное
сопротивление.
14. Просмотр диаграммы направленности.
Чтобы просмотреть распределение в дальней зоне, нажмите
Farfields>farfield (1=2.4) в дереве навигации (рис. 30; ДН элемента АР).
Чтобы улучшить параметры рисунка, нажмите Results>Plot Properties.
Изменяя Step, можно добиться лучшей картинки.
На рисунке видно, как максимальная мощность была излучена в
положительном Z-направлении.
15. Моделирование антенной решетки.
Используя результаты расчета элемента АР, возможно вычислить
распределение в дальней зоне для произвольной антенной решетки.
83
Для вычисления распределения в дальней зоне произвольной АР
выполните, следующие операции:
1. Нажмите Results>Plot Properties>Array. Появляется диалог Farfield Plot
(рис. 31; диалог Farfield Plot).
Рис. 30. Рис.31
2. Выберите Antenna array. Нажмите Properties. Появляется диалог
Farfield Calculation Antenna Arrays (рис. 32; диалог Farfield Calculation
Antenna Arrays).
Рис. 32. Рис.34.
84
3. В строке Number установите X и Y согласно своему варианту
(количество излучателей).
4. В строке Spaceshift установите X=60, Y=60.
5. В строке Phaseshift устанавливается фазовый сдвиг.
6. Сначала получим ДН для сдвига фаз =0 (рис. 32).
7. После того как все данные были введены, нажимаем Update
antenna list. Затем ОК. Затем нажимаем Aplly в диалоге Farfield Plot.
Получаем ДН (рис. 33; ДН антенной решетки 10X10, со сдвигом фаз=0).
Рис. 33. Рис.35.
Чтобы улучшить параметры рисунка, нажмите Results>Plot Properties.
Изменяя Step, можно добиться лучшей картинки.
8. Сохранив ДН для сдвига фаз=0, необходимо получить ДН со
сдвигом фаз, который получился из расчетов согласно вашему варианту.
9. Выберите Antenna array. Нажмите Properties. Появляется диалог
Farfield Calculation Antenna Arrays (рис. 34; диалог Farfield Calculation
Antenna Arrays).
10. В строке Phaseshift устанавливается фазовый сдвиг, рассчитанный
ранее для вашего варианта. Так как АР одномерная, то изменение фазы будет
меняться только по X (рис. 34).
11. После того как все данные были введены, нажимаем Update
antenna list. Затем ОК. Затем нажимаем Aplly в диалоге Farfield Plot.
Получаем ДН (рис. 35; ДН антенной решетки 10X10, со сдвигом фаз=90).
Чтобы улучшить параметры рисунка, нажмите Results>Plot Properties.
Изменяя Step, можно добиться лучшей картинки.
15. 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.
85
Часть 2. Исследование электромагнитных процессов
в элементах тракта антенн с помощью
компьютерного моделирования.
9. Моделирование прямоугольного волновода в п/п HFSS
Задание. Нарисовать прямоугольный волновод (рис.1; общий вид
волновода в программе HFSS) сечением 17х8 мм, длиной 70 мм, материал
волновода – воздух. Провести расчеты в полосе частот 10…20 ГГц (в
которой обеспечивается одноволновый режим) для волны типа H
10
. В
постпроцессоре построить графики модуля коэффициента отражения S
11
,
графики распределения поля в различных сечениях.
Выполнение задания.
1. Запускаем программу HFSS. Появляется менеджер проектов.
2. В списке Projects нажимаем New. Появляется диалоговое окно New
Project.
3. Печатаем имя waveguide в поле New Project.
4. НажимаемOK.
Рис. 1. Рис.2.
Рисование структуры:
1. Из главного экрана нажимаем на Model > Draw. Появляется экран
Draw.
86
2. Нажимаем на 3D Objects > Box.
3. Рисуем при помощи курсора параллелепипед и задаем его размеры в
появившемся окне в соответствии с рис.2 (шаблон параллелепипеда для
волновода).
Назначение материалов
1.Из основного экрана нажимаем Materials > Assignment. Появляется
диалоговое окно Material Definition.
2. В списке объектов нажимаем box0. После этого в списке материалов
нажимаем на air (воздух). Нажимаем OK
Назначение границ для волновода
Прямоугольный волновод требует двух портов: один для ввода сигнала,
в структуру и один для вывода сигнала из структуры. Внешняя поверхность
модели определена по умолчанию как идеальный проводник. Сечениями
портов служат плоскости на торцах волновода.
Чтобы задать порты для волновода:
1. Из основного экрана нажимаем Boundaries > Add. Отображается
диалоговое окно Define Port or Boundary Condition.
2. Из диалогового окна Define Port or Boundary Condition нажимаем
Enter Number of Ports and Modes. Отображается диалоговое окно Define
Number of Ports and Modes.
3. Нажимаем на PORT1 MODES1 IMPEDANCE1, чтобы подсветить его.
4. Вводим значение 1 в поле для множителя полного сопротивления
Impedance Multiplier.
5. Нажимаем на PORT 2 MODES 1 IMPEDANCE 1, чтобы выбрать его.
6. Вводим значение 1 в поле для множителя полного сопротивления
Impedance Multiplier. После этого нажимаем OK. Диалоговое окно Define
Numbers of Ports и Modes исчезает.
7. Из списка Ports и Boundary Currently Defined, нажимаем 1.
8. Убедившись, что Port 1 отмечен, щелкаем на 3 Point Plane.
Диалоговое окно исчезает, позволяя нам видеть структуру и последовательно
наметить три точки, которые определяют плоскость порта.
9. Помещаем курсор в точку на порту 1 и нажимаем на него. На
вертикальной линии рисуется маленький значок ×, указывающий, что точка
выбрана.
10. Помещаем курсор на еще двух точках в плоскости порта и нажимаем
на них.
Когда выбраны три точки на одной плоскости, появляется диалоговое
окно подтверждения и порт подсвечивается серым цветом.
11. Убеждаемся, что порт выбран правильно, нажимаем OK. Диалоговое
окно Define Port or Boundary Condition восстановливается, и рядом с
именем порта появляется звездочка (*), указывая на то, что он определен.
Чтобы начертить линии полного сопротивления и градуировочные
линии:
1. Из главного экрана, нажимаем на Boundaries > Port Calibration.
87
2. Убедитесь, что Port #1 и Mode #1 указаны, отмечаем Impedance и
Calibration.
3. В области Start нажимаем Pick Point (указать точку).
Диалоговое окно исчезает, позволяя нам выбрать точку на порте.
Линия полного сопротивления и линия калибровки для волновода
начинаются на нижней границе порта и заканчиваются на верхней.
4. Устанавлмваем маркер на нижней грани порта 1 и нажимаем левую
кнопку мыши. Диалоговое окно Port Impedance/Calibration/Polarization
восстанавливается.
5. В области End нажмите Pick Point.
Диалоговое окно исчезает, позволяя Вам выбрать точку на порте.
6. Отмечаем маркером точку на верхней грани порта. Диалоговое окно
Port Impedance/Calibration/Polarization Lines восстанавливается.
7.Отмечаем линию полного сопротивления и градуировочную линию
для второго порта.
8. Нажимаем Done.
Установка решения для волновода:
1. Из главного экрана нажимаем Solve > Setup. Появляется диалоговое
окно HFSS Simulation Configuration.
Рис. 3. Рис.4.
2. Откройте закладку Frequencies.
3. Устанавлмваем режим изменения частоты Start-Stop и вводим
начальную частоту 10 (ГГц) и конечную 20 (ГГц), с 11 равноотстоящими
точками.
88
4. Нажимаем кнопку Add, чтобы добавить режим качания частоты к
списку частот Additional Discrete Frequencies (рис. 3; закладка задания
дискретных частот анализа).
5. Нажмите OK для выхода из окна установок.
6. В основном окне выберите Solve > Run.
Появляется диалоговое окно Run, позволяя Вам установить режим
запуска задачи на решение, а также день и время, когда она будет запущена.
Нажимаем OK.
Постпроцессорная обработка
Возможности постпроцессорной обработки включают опции для
просмотра результатов решения и черчения графиков:
• S-параметров,
• электромагнитного поля,
• постоянной распространения волны (гамма),
• характеристического импеданса,
• уровней поля в различных плоскостях сечения структуры,
• отображение данных на диаграмме Смита,
• отображение поля в виде векторов,
• рисунки поля в дальней зоне (диаграмма направленности),
• отображение двумерных линий равного значения поля.
Просмотр объемного чертежа
Свободная манипуляция объемным чертежом позволяет нам
внимательно рассмотреть как саму структуру объекта, так и
электромагнитные поля и их распространение в структуре. Создание
объемного чертежа в постпроцессоре имеет преимущество перед
трехмерным чертежом, созданным на этапе черчения. Это преимущество
заключается в удобном вращении, масштабировании и сдвиге чертежа.
1. Из основного экрана выбираем Post > Post Processor. После запроса
на открытие постпроцессора и нажатии на OK, отображается диалоговое
окно Post Processor.
2. Нажимаем OK.
На рис. 4 (экран постпроцессора с отрезком прямоугольного волновода)
представлено окно постпроцессора.
Используя курсор мыши, кнопки Rotate, Scale и Pan можно рассмотреть
любой объект проекта, выбирая его в левой части окна Objects.
4. Из меню, нажимаем Plot > Field Plot. Появляется диалог Field Plot
Dialog.
5. При помощи окна Field Plot Dialog строим распределение
электрического и магнитного полей внутру волновода в различных сечениях.
6. Из меню, нажимаем Plot > S Mag Plot. Появляется диалог Plot S
Parameters.
5. В появившемся окне выбираем параметр S
11
.
89
10. Моделирование волноводно-коаксиального перехода
в п/п MicroWave Studio
Создание трехмерной структуры.
Создадим структуру, представляющую собой замкнутый металлический
прямоугольный параллелепипед (отрезок волновода с закрытыми торцами).
В верхнюю плоскость фигуры вставим отрезок коаксиального кабеля, так
чтобы оплетка кабеля контактировала с поверхностью прямоугольного
волновода, а центральная жила выступала внутрь конструкции в виде
штыревой антенны. В качестве диэлектрика, заполняющего внутреннее
пространство прямоугольной фигуры и пространство между центральной
жилой и оплеткой коаксиального кабеля, выберем вакуум.
1. Запускаем Microwave studio, в диалоговом окне Welcome to CST
MICROWAVE будет предложено создать новый проект ( Create a new
project ) или открыть один из ранее созданных ( Open an existing project).
2. Далее в диалоговом окне Create a new project предлагается выбрать
один из шаблонов будущего проекта. Создаем пустой проект <None>,
сохраняем в отдельной папке.
3. При помощи команды Help/QuickStart Guide открываем список
подсказок необходимых для настройки проекта и запуска процесса
моделирования. В данном окне нам необходимо выбрать Transient Analysis
для этого нажимаем указатель Back и в выбираем ( Transient Analysis).
Согласно диалоговому окну QuickStart Guide, настраиваем проект.
Интерактивное окно списка подсказок позволяет последовательно
выполнить все настройки проекта. При одиночном щелчке указателя мыши
по очередному пункту в этом окне автоматически будет открыта
соответствующая вкладка меню, а затем открыто окно для конфигурации
параметров проекта. Итак, сначала устанавливаем систему единиц
измерений при помощи команды Solve/Units… В открывшемся диалоговом
окне выбираем: Dimentions (размеры) – mm(милиметры), Frequency
(частота) – GHz(гигагерцы), Time (время) – us (с учетом времени
прохождения переходных процессов в структуре выбираем время в
микросекундах).
4. Устанавливаем тип материалов Solve/Background Material. В окне
Material type (тип материала) может быть выбран либо идеальный материал
(PEC), либо реальный материал (Normal). В данном случае выбираем
идеальный материал, остальные параметры оставляем без изменений.
На этом этап предварительных установок завершается. Далее переходим
к непосредственному созданию СВЧ конструкции.
Итак, для создания сложной структуры необходимо представлять, из
каких простых элементов она состоит. В нашем случае структура состоит из
прямоугольных и цилиндрических фигур.
5. Создаем прямоугольную структуру, при помощи команды
Objects/Basic Shapes/Brick или нажимаем на панели инструментов иконку
90
(Create brick). При этом в верхней части рабочего поля появится надпись
«Double click first point in working plane (Press ESC to cancel)». Далее
двойным щелчком указателя мыши примерно у начала координат
изображаем в плоскости XOY прямоугольник с произвольными размерами.
Еще раз двойным щелчком указателя мыши фиксируем прямоугольник в
плоскости XOY и вытягиваем фигуру вдоль оси OZ, фиксируем размеры
фигуры двойным щелчком указателя (рис 1; каркас фигуры).
Рис. 1. Рис.3.
6. В открывшемся диалоговом окне Brick (рис.2; параметры фигуры)
устанавливаем размеры параллелепипеда, имя фигуры – solid1, остальные
параметры Xmin=Ymin=Zmin=0, Xmax=a, Ymax=b, Zmax=l. Выбираем
Preview (предпросмотр), если фигура не умещается, применим
масштабирование изображения, для этого на панели инструментов нажмем
кнопку (Reset view to Structure), иначе масштабировать изображение
можно вращением колесика мыши (рис.3; фигура solid1).
Рис.2. Рис.4.
7. Изменим материал прямоугольного волновода, для этого в дереве
проекта левая часть основного окна программы) на вкладке Materials