ВВЕДЕНИЕ
Производственная практика (НИР) проходила на кафедре прикладной математики Казанского (Приволжского) Федерального Университета.
Индивидуальное задание в рамках производственной практики (НИР) включало в себя: изучение нормативных документов и специальной литературы по теме «Электродинамика антенн», ознакомление с возможностями и интерфейсом программных продуктов для расчета антенн, построение и описание модели антенны. Цель работы – создание интерфейса программы по расчету антенны, построение и описание модели дипольной антенны в программе HFSS.
Моделирование дипольной антенны в HFSS
Построим и проанализируем дипольную антенну с использованием программного обеспечения HFSS v15 для моделирования от Ansoft.
Как правило, дипольная антенна состоит из двух проводников, которые являются наполовину криволинейными диполями. Спроектированная антенна должна быть окружена воздушной коробкой, которая имеет цилиндрическую форму. Высота и радиус цилиндрической воздушной камеры составляет 0,215 и 0,0775 мм. Дипольная антенна выполнена в форме стержня. Радиус и высота диполя составляет 0,0025 мм и 0,065 мм. Длина и ширина прямоугольного листа составляет 0,005 мм, а 0,01 мм. Для того, чтобы найти длину волны запишем скорость света и частоту . Тем самым, мы получаем .
Если антенна установлена вертикально, это приведет к максимальному излучению в горизонтальных направлениях. В том случае, когда антенна установлена горизонтально, значение излучения достигает пикового значения и нулевого значения под прямым углом и в направлении диполя.
Прямоугольный цилиндрический лист должен точно проецироваться в центре двух трехмерных стержневидных диполей. Целые диполи должны быть закрыты воздушной камерой цилиндрической формы, которая предотвращает потерю излучения в нежелательном направлении.
Результаты моделирования
Параметры S11 используются для определения потери частоты, которая снижается до 1 ГГц. Двухмерный график, иллюстрирующий значения параметра S11, показан на рисунке ниже. Импеданс и реактивное сопротивление противоположны друг другу.
Направленность является одним из важных параметров антенны и определяется как мера степени, при которой излучение антенны имеет тенденцию проецироваться в одном направлении. Как правило, направленность антенны должна составлять 1 дБ. Усиление направленности дипольной антенны должно быть выражено в трехмерном виде.
Построим и проанализируем дипольную антенну с использованием программного обеспечения для моделирования HFSS v15 от корпорации Ansoft.
В окне «Project Manager» щелкнем правой кнопкой мыши файл проекта и выберем «Save As…» в подменю. Назовем файл «dipole» и нажмем «Save».
Чтобы начать работу с геометриями, нужно вставить конструкцию HFSS. Щелкнем правой кнопкой мыши файл проекта и выберем «Insert» → «Insert HFSS Design» из меню.
Из-за характера этой конструкции будем использовать «Driven Modal» в качестве типа решения. В верхнем горизонтальном меню выберем «HFSS» далее «Solution Type»
В открывшемся окне выберем следующие параметры:
Далее в этом же меню нажмем «Modeler» из списка выберем «Units».
В открывшемся окне укажем единицы измерения в миллиметрах (мм).
HFSS использует переменные для любой параметризации (оптимизации) в рамках проекта. Переменные также обладают многими другими преимуществами, которые сделают их необходимыми для всех проектов:
– фиксированные соотношения (длина, ширина, высота) легко поддерживаются с помощью переменных;
– все размеры могут быть быстро изменены в одном окне, в отличие от изменения каждого объекта в отдельности.
Как правило, дипольная антенна состоит из двух проводников, которые являются наполовину криволинейными диполями. Спроектированная антенна должна быть окружена воздушной коробкой, которая имеет цилиндрическую форму.
Щелкнем в горизонтальном меню на заголовок «HFSS» и выберем «Design Properties».
Это откроет таблицу переменных. Добавим все переменные, выбрав «Add».
Укажем все необходимые переменные. Для того, чтобы найти длину волны запишем скорость света и частоту .
Переменные можно обозначать только буквами и нижним подчеркиванием. Обозначим скорость света как «speed_of_light». Затем укажем тип «Speed» и единицу измерения «m_per_sec». Также укажем величину равную «300 000 000».
Нажмем «ОК». Как видим в параметрах проекта отображается переменная, которую мы указали.
Далее введем частоту. Нажмем «Add» в параметрах проекта и назовем переменную «frequency». Укажем тип «Frequency», единицу измерения «GHz» и величину равную 1. Нажмем «ОК».
Теперь, зная скорость света и частоту, добавим длину волны. Нажмем «Add» в параметрах проекта, назовем «lambda». Указывать тип и единицу измерения не будем, а в поле «Value» введем следующее:
Примечание: в поле «Value» можно проводить арифметические операции (*,/,+,-).
Дипольная антенна выполнена в форме стержня. Через кнопку «Add» добавим радиус диполя. Назовем «dipole_radius», в поле «Value» введем следующее:
Далее через кнопку «Add» добавим ширину прямоугольного листа (порта). Обозначим как «plate_width» и в поле «Value» введем следующее:
Затем введем через кнопку «Add» и добавим высоту диполя. Обозначим как «dipole_height», в поле «Value» введем следующее:
Найдем еще высоту и радиус цилиндрической воздушной коробки.
Нажмем на «Add». Высоту цилиндрической воздушной коробки обозначим «height_air_chamber» и в поле «Value» введем следующее:
Радиус цилиндрической воздушной коробки обозначим «radius_air_chamber» в поле «Value» введем следующее:
Тем самым мы получим следующее: скорость света , частота , а длина волны будет равна 0.3 мм. Высота и радиус цилиндрической воздушной камеры составляет 0,215 и 0,0775 мм. Дипольная антенна выполнена в форме стержня. Радиус и высота диполя составляет 0,0025 мм и 0,065 мм. Длина и ширина прямоугольного листа составляет 0,005 мм, а 0,01 мм.
Панели инструментов 3D Modeler играют важную роль в создании геометрических структур в HFSS. По умолчанию панели инструментов 3D-модели должны быть видны на экране.
Если же панели инструментов 3D-модели нет, то ниже горизонтального меню будет серая область, где должны отображаться инструменты. Нажмем на эту серую область правой кнопкой мыши и добавим все необходимые инструменты, как показано ниже:
Затем, здесь же, внизу зажмем левой кнопкой мыши на значок перевернутого треугольника, чтобы прокрутить инструменты и выбрать оставшиеся.
Создадим дипольный элемент в виде цилиндра. Выберем три произвольные точки внутри области рисования. Эти точки будут определены с использованием переменных, созданных ранее, поэтому нет необходимости указывать точки.
Настроим размеры дипольного элемента и его атрибуты. Дадим имя «dip1» этому объекту. Для этого справа от окна «Project Manager» находится дерево проекта. Нажмем на «+» во вкладке «Solids», затем нажмем на «+» во вкладке «vacuum». В списке нажмем правой кнопкой мыши на вкладку «Cylinder1» → «Properties»:
Настроим параметры, как показано ниже.
Тем самым, в атрибутах мы указали имя и материал. В дереве проекта выглядит следующим образом:
Далее, для настройки размеров дипольного элемента в этом же дереве проекта, во вкладке «dip1» найдем «CreateCylinder» нажмем правой кнопкой мыши и в списке нажмем на «Properties».
Настроим параметры как показано ниже:
Следующая команда необходима при построении симметричных структур. В дереве проекта найдем вкладке «dip1», которой мы пользовались ранее, щелкнем по ней правой кнопкой мыши и выберем «Edit» → «Duplicate» → «Around Axis».
Откроется окно. Для того, чтобы получить зеркальное отображение введем следующее:
Примечание: если при выборе из списка значения «Angle» в поле нет того, что вам нужно, вы можете вручную ввести необходимое значение.
Структура диполя показана ниже:
Начнем с выбора плоскости YZ на панели инструментов. Используя 3D-панель инструментов, нажмем «Draw Rectangle» и поместим две произвольные точки в пределах области модели.
Настроим размеры порта и его атрибуты. Для этого в дереве проекта нажмем правой кнопкой мыши на «Rectangle1» → «Properties».
Тем самым название «Rectangle1» мы изменили на «port».
Далее, настроим команды. Для этого чуть ниже вкладки «port» в дереве проекта нажмем правой кнопкой мыши на «CreateRectangle» → «Properties».
При наличии исходной геометрии нужно обеспечить возбуждение. Для модели диполя будет использоваться сосредоточенный порт. Это возбуждение обычно используется, когда область дальнего поля представляет основной интерес. В дереве проекта щелкнем правой кнопкой мыши на «port» и выберем режим, как показано ниже.
Назовем источник порта и оставим значения по умолчанию для импеданса. Нажмем «Next» и введем следующее:
Далее нужно обозначить две точки в области рисования. Обозначим эти точки, как показано на рисунке ниже.
Чтобы получить наилучший результат, цилиндрическая воздушная граница определяется на расстоянии λ/4. На панели инструментов выберем «Draw Cylinder» и выберем три произвольные точки в окне модели.
Так же, как и при настройке дипольного элемента, в дереве проекта найдем вкладку «vacuum», нажмем правой кнопкой мыши на «Cylinder1» и настроим цилиндрическую воздушную границу.
Чуть ниже «Air_chamber» в дереве проекта , выбранного ранее как «Cylinder1», нажмем правой кнопкой мыши на «CreateCylinder».
Далее обозначим границы излучения. Для этого в дереве проекта снова нажмем правой кнопкой мыши на «Air chamber» → «Assign Boundary» → «Radiation»:
Далее должно быть определено решение для отображения желаемых данных. В первую очередь интересует частотная характеристика структуры. Также нужно изучить возможность HFSS рассчитывать общие параметры антенны, такие как направленность, радиационная стойкость, радиационная эффективность и т.д. В проекте менеджера нажмем правой кнопкой мыши «Analysis» → «Add Solution Setup».
Оставим все остальные настройки по умолчанию.
Чтобы просмотреть частотную характеристику структуры, необходимо определить частотную развертку. В проекте менеджера нажмем правой кнопкой мыши «Setup1» → «Add Frequency Sweep».
На этом этапе нужно проанализировать структуру. Перед запуском анализа проверяем проект , выбирая его на панели инструментов 3D.
Проанализируем структуру, нажав иконку в виде зеленого восклицательного знака в панеле инструментов 3D.
Структура анализируется в среднем от пяти до двадцати минут, в зависимости от характеристик компьютера.
После завершения анализа создадим отчет для отображения как резонансной частоты, так и диаграммы направленности. В проекте менеджера нажмем правой кнопкой мыши «Results» → «Create Modal Solution Data Report» → «Rectangular Plot».
Выберем следующие выделенные параметры ниже и нажмем «Add Trace», чтобы загрузить параметры в окно «Traces».
Потом закрываем окно с настройками трассировки.
Входное сопротивление может быть определено непосредственно из графика. Отметим точку, в которой мнимая компонента пересекает ноль. Эта отметка позволит пользователю определить входное сопротивление в точке резонанса.
Отметим нулевую точку, щелкнув правой кнопкой мыши окно графика и выбрав «Marker» → «Add Y Marker».
Выберем точку как можно ближе к нулю вдоль воображаемой линии. Слева в параметрах укажем в Y значении 0, тем самым обозначив точку.
Следуем той же процедуре для другого. Только вместо «Add Y Marker» выберем «Add X Marker». И введем следующее X значение:
В менеджере проекта во вкладке «Results» найдем «XY Plot 1» нажмем на него правой кнопкой мыши «Rename» и назовем график «imped».
На следующем шаге построим график зависимости S11 от частоты. Создадим отчет, как показано ранее, и добавим следующую трассировку:
Рисунок 2.62 – Настройка трассировки
В менеджере проекта назовем график «Param S11», нажав правой кнопкой на «XY Plot 1» → «Rename».
Точка резонанса была отмечена на уровне -24,9544 дБ.
HFSS имеет возможность автоматически рассчитывать параметры антенны. Чтобы произвести вычисления, нужно определить бесконечную сферу для расчетов в дальнем поле. Щелкнем правой кнопкой мыши значок «Radiation» в окне менеджера проекта и выберем «Insert Far Field Setup» → «Infinite Sphere…».
Далее будет удалено дальнее поле. Создадим отчеты через менеджер проекта «Results», как показано ранее.
Далее создадим диаграмму суммарного электрического усиления дипольной антенны, как показано ранее, изменив в настройках трассировки следующее:
Программное обеспечение имеет сложную природу и требует обширных знаний электромагнитной теории, чтобы полностью использовать ее возможности. Дипольная антенна была предназначена для ускорения кривой обучения программного обеспечения и создания интереса к предмету.
Будем полагать, что диполь состоит из материала copper (медь). Между двумя цилиндрическими полуволновыми диполями должна быть установлена тонкая прямоугольная плита для установления соединения между двумя полуволновыми диполями. Прямоугольный лист должен быть размещен по оси YZ.
Если антенна установлена вертикально, это приведет к максимальному излучению в горизонтальных направлениях. В том случае, когда антенна установлена горизонтально, значение излучения достигает пикового значения и нулевого значения под прямым углом и в направлении диполя.
Прямоугольный цилиндрический лист должен точно проецироваться в центре двух трехмерных стержневидных диполей. Целые диполи должны быть закрыты воздушной камерой цилиндрической формы, которая предотвращает потерю излучения в нежелательном направлении.
Результаты моделирования
Параметры S11 используются для определения уменьшения коэффициента отражения при приближении частоты к 1 ГГц. Двухмерный график, иллюстрирующий значения параметра S11. Импеданс и реактивное сопротивление противоположны друг другу, и значение сопротивления на частоте 1 ГГц составляет 0,0002 Ом.
Направленность (direction) является одним из важных параметров антенны и определяется как мера степени, при которой излучение антенны имеет тенденцию проецироваться в одном направлении. Как правило, направленность антенны должна составлять 1 дБ.
Суммарное усиление направленности дипольной антенны. Точка m1 - это точка, которая отмечена тета-значением 270, а диапазон равен -90°, а величина равна 1,7917.
Суммарное электрическое усиление дипольной антенны. Здесь m1- это точка, которая отмечена значением тета (сферическая система координат) 270, а угол равен -90°, значение величины равно 10,3717.