电大尺寸实例

1Ansoft-HFSS电大尺寸实例北京航空航天大学RF-EMC实验室提纲Š机载天线电磁兼容性Š天线隔离度分析计算Š宽带天线设计Š微波暗室功率电平计算ŠPBG研究Š微波器件和电路设计仿真2简介Š我们在工程实践中，例如电磁兼容性分析和预测，天线隔离度计算，微波电路和器件设计，宽带天线设计，RCS计算等，大量的借助了Ansoft的HFSS等软件，实践证明，采用HFSS等软件解决电磁工程问题是非常有效的。下面给出几个这方面的实例。天线机载方向图某飞机机载天线方向图计算3天线机载方向图该机载天线局部放大天线机载方向图求解结果低频方向图高频方向图4机翼前缘缝隙屏蔽效能分析机翼前缘缝隙屏蔽效能分析Š研究内容分为以下两个部分：一、某一频率下，当计算条件（缝宽、有无螺栓、各种极化方向）不同时，屏蔽效能的差异；二、指定计算条件下，不同频率时屏蔽效能的差异。5机翼前缘缝隙屏蔽效能分析Š在某频率下时，分别选取缝隙宽度为0.2mm、0.05mm进行计算，每种缝隙宽度再分别计算有无螺栓存在、电场极化方向不同的情况。Š通过上述不同条件的比较可以得到一些定性地规律。机翼前缘缝隙屏蔽效能分析机翼屏蔽效能图02040608010012010100100010000频率(MHz)屏蔽效能(dB)油箱舱室横梁中间机翼前舱6机翼前缘缝隙屏蔽效能分析Š宽为0.05毫米的缝隙,在电场方向垂直于缝隙方向入射下,在加固螺栓的情况下,从70MHz到8GHz其屏蔽效能在大部分频点在40dB以上,但是在4-5GHz处,屏蔽效能有大的下降,这个屏蔽效能下降的频点可能与形成缝隙的横梁尺寸有关.天线隔离度分析Š对武器平台各任务天线间进行隔离度计算时，往往因为电磁寸过大而难以计算。使用HFSS对全系统仿真得到传输参数矩阵，进而得到天线隔离度数值，这不仅仅是可行的，而且精度很高。Š在进行天线隔离度计算时，分为高频和低频两个方面分别加以解决。在高频段，采用几何绕射理论和一致性几何绕射理论，开发相应的工程算法；在低频段，使用HFSS，形成一套完整的工作流程。7天线隔离度分析Š使用HFSS进行全系统仿真时的一个关键难点在于对天线的端口匹配。因为如果要计算出精确的隔离度数值，就应该使每个端口的反射系数约等于0。HFSS中的优化模块为这一问题提供了很好的解决方法。在优化模块中设置优化目标后，经过优化计算，可以得到天线的端口输入阻抗，其计算精度十分精确。天线隔离度分析——实例我们以一艘潜艇为例，分析其表面天线的隔离度。首先是建模部分。潜艇长约60米，直径约为12米，在潜艇表面分布着五幅相同的马刀天线，天线的工作频率为20MHz（4个波长）。下面是潜艇的3D示意图：8天线隔离度分析——实例Š右图为机身上马刀天线的3D模型。此天线在工程应用中，应有很复杂的端口匹配系统，匹配后使天线对外的阻抗为50欧姆或75欧姆。但是如果在仿真时计入匹配系统，则会大大增加计算量。因此在仿真时，我们略去匹配系统，使用优化的方法得到天线的输入阻抗。天线隔离度分析——实例Š经过优化分析之后得到天线的输入阻抗为Z=4.49-j*50。下面是最后的S参数矩阵.天线隔离度即是S12参数。9宽带天线设计实例Š对数周期天线是一种典型的非频变天线，它是根据“相似”概念构成的：当天线按照某一特定的比例因子变化之后，仍为它原来的结构。目前对数周期天线已经能成功的应用在10：1和15：1的频程范围内。宽带天线设计实例Š我们首先采用工程设计方法对对数周期天线进行设计，然后在HFSS中建立模型，进行仿真分析和优化设计。事实证明，这种设计思路是简单有效的。ŠHFSS在对数周期天线这样的电中尺寸线宽带天线的计算方面表现了良好的能力。10宽带天线设计实例1驻波比对比图0510152012345频率(GHz)驻波比天线一天线二11宽带天线设计实例2宽带天线设计实例212宽带天线设计实例2分析暗室性能（拓展功能）Š功能：计算暗室工作区残余电平——用于暗室设计的性能预估Š分析方法：HFSS+电磁射线追踪13用户界面软件计算所需参数暗室尺寸：长、宽、高吸波材料参数：测量的等效反射系数其它：工作区大小、天线的方向性及其位置、天线到工作区的距离14计算所用反射系数和天线方向图0102030405060708090功率反射系数最大值，原测()-55-50-45-40-35-30-25-20dB-52.9243-51.2859-47.2182-36.2358-20.9249-100-80-60-40-2002040608010010GHz面方向图H-40-35-30-25-20-15-10-50dB计算结果分析03691215方位角（度）俯仰角度=0暗室尺寸：34.5m*17.5m*16m有效距离工作区到后壁距离=28m,=3m计算频率单个天线=10GHz,-46-45-44-43-42-41-40-39-38-37-36残余电平（）dB-45.4248-45.1092-44.1983-42.0351-39.8018-36.9523随着方位角的改变，可以看到工作区残余电平的变化规律15计算结果（直射功率图）0度方位角，0度俯仰角-15度方位角-10度俯仰角计算结果（反射功率图）0度方位角，0度俯仰角-15度方位角-10度俯仰角16计算结果（残余电平图）0度方位角，0度俯仰角-15度方位角-10度俯仰角喇叭天线仿真设计Š喇叭天线是一种典型的宽带天线，有很好的方向性，在主瓣方向上的增益一般都能达到15dB以上。但是在较高的频率点上，例如8G以上，天线的电尺寸较大，使用数值方法计算对计算机配置的要求一般都很高。但是由于HFSS对有限元算法进行了优化，再加上特有的自适应网格剖分技术，使得电大尺寸的数值计算成为可能。17喇叭天线仿真设计Š我们首先利用工程设计的方法得到喇叭天线的具体尺寸，然后在HFSS建模并仿真，得到了一个工作频率在7GHz的喇叭天线，用来匮电的矩形波导截至频率大约为6GHz。之所以选取矩形波导匮电，是因为这种匮电结构较为简单，有利于减少计算中的网格数量，并且对天线的性能基本没有关系。喇叭天线仿真设计Š在进行了大约10个小时的计算之后，我们得到了天线的单频与扫频仿真结果。单频点为8GHz，扫频范围是6~8GHz。18喇叭天线仿真设计Š右图是喇叭天线的3d方向图，输入阻抗为50欧姆。喇叭天线仿真设计Š下图为喇叭天线在6G~8G的驻波比图。从下图可以看出此喇叭天线的宽频特性。19喇叭天线仿真设计Š右图为喇叭天线的功率增益方向图。由图可知主瓣增益约为16dB，而背瓣和旁瓣的增益都在1dB以下，方向性非常好，符合喇叭天线的特征。喇叭天线仿真设计Š右图为喇叭天线的E面和H面增益方向图。H面增益方向图-15-10-505101520-180-120-60060120180theta(度)增益(dB)E面增益方向图-35-25-15-551525-180-120-60060120180theta(度)增益(dB)20融合PBG的天线特性研究Š应用HFSS本征模式计算PBG结构的频带分布融合PBG的天线特性研究Š将PBG结构与微带天线结合，提高天线的增益。21融合PBG的天线特性研究Š结合PBG结构的天线与没有PBG结构的天线方向图对比，增益提高融合PBG的天线方向图原始天线方向图微波器件和电路设计仿真22微波器件和电路设计仿真微波器件和电路设计仿真23微波器件和电路设计仿真ŠEnsemble和HFSS计算的结果驻波比偏高，HFSS计算的驻波比最高，这两个软件可以计算端口阻抗。HFS计算的端口阻抗稍高，Ensemble计算的端口阻抗偏低。ŠSerenade需要设定端口阻抗，端口阻抗与传输线阻抗需相同。Š移相量计算均准确。Serenade计算的S21相位偏移量为150.03度，Ensemble计算的S21相位偏移量为147度，HFSS计算的S21相位偏移量为153.4度。ŠHFSS的计算结果受waveport端口的设置的影响较大，下面在微带线的例子中讨论。Ensemble和Serenade软件包已经集成到ansoftDesigner。RCS计算Š用HFSS计算RCS时，要计算的是后向RCS，但HFSS8.0只能提供双站RCS,HFSS9.0已经可以计算单站RCS。Š因此为了计算的方便，只假定物体不旋转，而平面波在旋转，由于在theta=90平面内，左右是对称的，因此在计算物体旋转角phi从0—180时，本来平面波应当从360—180，现在只需把平面波从phi0—180(theta=90)，电场为水平极化（即：在xoy与k方向垂直）。24RCS计算(HFSS8.0)Š结果形式：在每计算完一次后，画出在theta=90,phi从0—180的RCS曲线，找到phi=k方向的RCS值。由图可见,在phi=0(xoz面),在theta=90,(球的后向RCS),与理论值-21.02dBsm符合.RCS计算(HFSS8.0)25Š球的半径为R=50mmŠ入射波为平面波：f=5.6GHzŠ因此：ka=5.9Š结果与《雷达截面与隐身技术》中的P47面的图：2.13吻合很好RCS计算(HFSS8.0)RCS计算(HFSS8.0)26结束语Š我们在电磁兼容性分析和预测，天线隔离度计算，微波电路和器件设计，共形宽带天线设计，RCS计算，暗室设计，特种天线设计等，大量的借助了Ansoft的HFSS等软件，实践证明，采用HFSS等软件解决电磁工程问题是非常有效的。