西电HFSS培训教程—天线设计

Ansoft高级培训班教材ISM天线射频特性的AnsoftHFSS分析李磊谢拥军编著西安电子科技大学Ansoft培训中心目录第一章序言第二章创建项目第三章构造模型第四章优化Ansoft高级培训班教材-1-第一章序言本讲义主要是引导学员学习使用AnsoftHFSS的优化功能进行微波工程设计。随着越来越多的民用科研产品集中在ISM频段，这一频段的微波元器件设计也就越来越受到射频工程师的关注。对于民用产品来说，微带天线适应了其集约化、小型化的需求，从而成为产品设计中的关键。AnsoftHFSS提供的优化设计功能，特别适合于微波产品的优化设计。在这一优化功能中，结构参数、媒质本构常数等可以作为待优化的参数，元件的S参数、本征值和场分布等都可以作为优化的目标函数。学员通过可以本讲义的练习，熟悉这一功能。这本手册的后边部分描述将引导你如何使用软件去建立、仿真和优化一个ISM天线的axialratio（轴比）。本例假设使用者已经学习过并理解指南中的“TheGettingStarted”的内容。备注：如果你对该内容不熟悉，请翻看指南中“Usingthe3DSolidModeler”部分。该天线是一个右手圆极化天线（RHCP），工作在2.4GHz的ISM频率(Bluetooth,802.11b,etc.)Ansoft高级培训班教材-2-第二章创建项目本章中你的目标是：√保存一个新项目。√把一个新的HFSS设计加到已建的项目√为项目选择一种求解方式√设置设计使用的长度单位时间：完成这章的内容总共大约要5分钟。一.打开HFSS并保存一个新项目1.双击桌面上的HFSS9图标，这样就可以启动HFSS。启动后的程序工作环境如图：图2－1HFSS工作界面1．打开File选项(alt+F),单击Saveas。2．找到合适的目录，键入项目名hfopt_ismantenna。图2－2保存HFSS项目Ansoft高级培训班教材-3-二.加入一个新的HFSS设计1．在Project菜单，点击insertHFSSDesign选项。(或直接点击图标。)一个新的工程被加入到hfopt_ismantenna项目中，默认名为HFSSModeln。图2－3加入新的HFSS设计2．为设计重命名。在项目树中选中HFSSModel1,单击鼠标右键，再点击Rename项，将设计重命名为hfopt_ismantenna。图2－4更改设计名Ansoft高级培训班教材-4-三.选择一种求解方式1．在HFSS菜单上，点击SolutionType选项.2．选择源激励方式，在SolutionType对话框中选中DrivenMode项。图2－5选择求解类型图2－6选择源激励方式四.设置设计使用的长度单位1.在3DModeler菜单上，点击Units选项.2.选择长度单位，在SetModelUnits对话框中选中mm项。图2－5选择长度单位图2－6选择mm作为长度单位Ansoft高级培训班教材-5-第三章构造模型本章中你的目标是：√建立物理模型。√设置变量。√设置模型材料参数√设置边界条件和激励源√设置求解条件时间：完成这章的内容总共大约要35分钟。一.建立物理模型1．画长方体。在Draw菜单中，点击Box选项（或直接点击图标）；图3－1通过菜单加入一个Box2．输入参数。按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标为(x=-22.5mm,y=-22.5mm,z=0.0mm);按下Enter键后输入三边长度：x方向45mm,y方向45mm,z方向5mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。图3－2输入长方体的几何尺寸Ansoft高级培训班教材-6-3．设置长方体属性如上设置完几何尺寸后，HFSS系统会自动弹出长方体属性对话框。对话框的Command页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个长方体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。单击Attribute页，在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个长方体命名为Substate，将其透明度设为0.8。材料在下文统一设置。设置完毕后，同时按下ctrl和D键(ctrl+D)，将视图调整一下。图3－3设置长方体的各项属性图3－4绘出Substate板后的视窗小技巧：按下alt键后，旋转鼠标，视图随之旋转；Ansoft高级培训班教材-7-按下shift键后，移动鼠标，视图随之平移；4．画长方形。在Draw菜单中，点击Rectangle选项（或直接点击图标）；图3－5通过菜单加入一个Rectangle5．输入长方形参数。按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方形的基坐标为(x=-45mm,y=-45mm,z=0.0mm);按下Enter键后输入三边长度：x方向90mm,y方向90mm,z方向0mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。图3－6输入长方形的几何尺寸6．设置长方形属性如上设置完几何尺寸后，HFSS系统会自动弹出长方形属性对话框。对话框的Command页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个长方形模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。单击Attribute页，在Attribute页我们可以为长方形设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个长方形命名为groundplane，将其透明度设为0.8。设置完毕后，同时按下ctrl和D键(ctrl+D)，将视图调整一下。Ansoft高级培训班教材-8-图3－7设置长方形的各项属性图3－8绘出groundplane后的视窗Ansoft高级培训班教材-9-7.重复上述画长方形的步骤绘出长方形patch。参数如下：名称：patch长方形坐标基点坐标:X=-16mm,Y=-16mm,Z=5mm;x方向(dx)=32mm,y方向(dy)=32mm,z方向(dz)=0mm。透明度：0.8图3－9绘出patch后的视窗8.画圆柱体在Draw菜单中，点击Cylinder选项（或直接点击图标）；图3－10通过菜单加入一个Cylinder9．入圆柱体参数。按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），圆柱体坐标基点圆心坐标:X=0mm,Y=8mm,Z=0mm;高:5mm,半径:0.5mm;圆柱轴向为z轴.所以dx:0.5mm,dy:0mm,dz:5mm图3－11输入圆柱体的几何尺寸Ansoft高级培训班教材-10-10.设置圆柱体属性如上设置完几何尺寸后，HFSS系统会自动弹出圆柱体属性对话框。对话框的Command页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个圆柱体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。单击Attribute页，在Attribute页我们可以为圆柱体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个圆柱体命名为feed，将其透明度设为0.8。材料在下文统一设置。设置完毕后，同时按下ctrl和D键(ctrl+D)，将视图调整一下。图3－12设置圆柱体的各项属性Ansoft高级培训班教材-11-图3－13绘出pad后的视窗11.重复上述画长方体的步骤绘出长方体air。参数如下：名称:air_box坐标基点:X=-80.0mm,Y=-80.0mm,Z=-35.0mm三边长度:X方向:160.0mm,Y方向:160.0mm,Z方向:75.0mm透明度：0.8同时按下ctrl和D键(ctrl+D)，将视图调整一下。图3－14绘出air_box后的视窗12．画圆形。在Draw菜单中，点击Circle选项（或直接点击图标）；图3－15通过菜单加入一个Circle13．输入圆形参数。按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置圆形的圆形基坐标为(x=0mm,y=8mm,z=0.0mm);按下Enter键后输入三边长度：x方向1.5mm,y方向0mm,z方Ansoft高级培训班教材-12-向0mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。图3－16输入长方形的几何尺寸14．输入圆形属性。如上设置完几何尺寸后，HFSS系统会自动弹出圆形属性对话框。对话框的Command页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个圆形模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。单击Attribute页，在Attribute页我们可以为圆形设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个圆形命名为port，将其透明度设为0.8。设置完毕后，同时按下ctrl和D键(ctrl+D)，将视图调整一下。图3－17设置圆形的各项属性Ansoft高级培训班教材-13-图3－18绘出port后的局部视窗15．从groundplane中割去port。在操作历史树中利用ctrl键先选中groundplane,再选中port；在3DModeler菜单上，点击Boolean选项,再选择Subtract项。（或直接点击图标）注意：出现在Subtract左侧的物体是操作后保留的物体。选中Clonetoolobjectsbeforesubtract；我们只想在groudplane中裁去和port一样大小的洞，仍需要保留port。图3－20通过菜单进行subtract操作图3－21subtract对话框小技巧：点击图标可以选择显示、隐藏物体。Ansoft高级培训班教材-14-图3－22挖去与port相同大小的groundplane（隐去port）16．画多边形。在Draw菜单中，点击Line选项（或直接点击图标）；图3－23通过菜单加入一个多边形17．输入多边形参数。按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），输入第一个点的坐标为(x=0mm,y=0mm,z=0mm);按下Enter键后输入第二个点的坐标为(x=6mm,y=0mm,z=0mm);再按下Enter键后输入第三个点的坐标为(x=0mm,y=6mm,z=0mm);按下Enter键后输回第一个点的坐标为(x=0mm,y=0mm,z=0mm)。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。当所绘曲线闭合后，在绘图区点击鼠标右键，再次在绘图区点击鼠标右键，选择Done项结束曲线绘制。图3－24输入多边形的几何尺寸参数Ansoft高级培训班教材-15-图3－25设置多边形的线形后结束曲线绘制18．置多边形属性如上设置完几何尺寸后，HFSS系统会自动弹出多边形属性对话框。在Attribute页我们可以为多边形设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个长方形命名为Chamcut1，将其透明度设为0.8。设置完毕后，同时按下ctrl和D键(ctrl+D)，将视图调整一下。图3－26设置多边形的各项属性Ansoft高级培训班教材-16-图3－27绘出多边形Chamcut1后的视窗19．下面我们把多边形Chamcut1移到边角去。在操作历史树中选中Chamcut1；在Edit菜单上，点击Arrage选项,再选择Move项。（或直接点击图标）。按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），输入位移矢量。位移矢量起点坐标为(x=0mm,y=0mm,z=0mm);按下Enter键后输入矢量方向大小dx=-16mm,dy=-16mm,dz=5mm..注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。Ansoft高级培训班教材-17-图3－28通过菜单进行Move操作图3－29输入多边形移动的位置矢量图3－29多边形移动后的位置视窗Ansoft高级培训班教材-18-20．复制多边形Chamcut1，并将它移到另一个对角。在操作历史树中选中Chamcut1；在Edit菜单上，点击Duplicate选项,再选择AroundAxis项。（或直接点击图标）。图3－30从操作历史树选中duplicate操作，aroundAxis方式此时出现轴向选择对话框，我们将轴线设为Z轴，旋转角度180deg；我们只需复制一