实验目的
1、 熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步骤及工作流程。 2、 掌握T型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原理. 实验仪器
1、 装有windows 系统的PC 一台 2、 HFSS15。0 或更高版本软件 3、 截图软件 实验原理
本实验所要分析的器件是下图所示的一个带有隔片的T形波导。其中，波导的端口1是信号输入端口，端口2和端口3是信号输出端口.正对着端口1一侧的波导壁凹进去一块，相当于在此处放置一个金属隔片.通过调节隔片的位置可以调节在端口1传输到端口2，从端口1传输到端口3的信号能量大小，以及反射回端口1的信号能量大小。
T形波导
实验步骤 1、新建工程设置:
运行HFSS并新建工程：打开 HFSS 软件后，自动创建一个新工程： Project1，由主菜单选 File\\Save as ，保存在指定的文件夹内，命名为Ex1_Tee；由主菜单选 Project\\ Insert HFSS Design,在工程树中选择 HFSSModel1，点右键，选择 Rename项,将设计命名为 TeeModel.
选择求解类型为模式驱动（Driven Model）:由主菜单选 HFSS\\Solution Type ,在弹出对话窗选择Driven Model 项.
设置长度单位为in：由主菜单选 3D Modeler\\Units ，在 Set Model Units 对话框中选中 in 项。。 2、创建T形波导模型:
创建长方形模型：在 Draw 菜单中，点击 Box 选项，在Command 页输入尺寸参数以及重命名;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Transparent(透明度）将其设为0。8。Material(材料）保持为Vacuum。
设置波端口源励：选中长方体平行于 yz 面、x=2 的平面；单击右键，选择 Assign Excitation\\Wave port项，弹出 Wave Port界面，输入名称WavePort1；点击积分线 (Integration Line) 下的 New line ,则提示绘制端口,在绘图区该面的下边缘中部即（2,0，0)处点左键,确定端口起始点，再选上边缘中部即（2,0,0.4）处，作为端口终点。
复制长方体：展开绘图历史树的 Model\\Vacuum\\Tee节点，右键
点击Tee项，选择 Edit\\Duplicate\\Around Axis，在弹出对话窗的Axis项选择Z，在Angel项输入90deg，在 Total Number 项输入2,点OK,则复制、添加一个长方体，默认名为TEE_1。重复以上步骤，在Angel项输入-90，则添加第3个长方体，默认名Tee_2.
合并长方体：鼠标右键切换到物体选择状态。选中第1个长方体,按下 Ctrl键的同时选中第2、3个长方体，由主菜单选 3D Modeler\\Boolean\\Unite，则将三个长方体组合在一起，形成了一个T型接头。
创建隔片：绘制长方体：Draw/box命令任意创建一个长方体，确定位置参数:绘图工程树双击CreateBox1在属性对话窗口的 Command 页，在Position项输入—0。45in , offset-0.05in ， 0in，调整长方体尺寸；由 T 型接头中减去间隔：在历史树中选择 Tee 项,按下Ctrl 键的同时再选中Septum项.由主菜单选3D Modeler\\Boolean\\Subtract ，在弹出对话窗口中，确定Tee在Blank Parts列，Septum在Tool Parts列(即将间隔从型接头中去掉),点OK完成。 3、分析求解设置:
在工程树中,找到 TeeModel\\Analysis 节点,点右键 ，选择Add Solution Setup ，弹出对话窗。在 General 标签页的Solution 项输入10，默认单位为GHz，在 Adaptive Solutions的 Maximum Number of Passes 项设为3,其它不变，点击确定.
添加扫频设置：在工程树中的Setup1项上点右键，选择Add Frenquency Sweep，在弹出对话窗中选择General项,其它具体设置默
认不变；在Type栏选择Linear Step，定义频率范围为：8～10GHz，阶长0。05GHz，点OK完成.
设计检查：主菜单选HFSS\\Validation Check，则弹出确认检查窗口，对设计进行确认。全部完成且没有错误时，点Close结束。 4、运行仿真分析:
由主菜单选HFSS\\Analyze all，对设计的模型进行三维场分析求解.求解全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。 5、查看仿真分析计算结果：
创建一个S参数的矩形曲线图；创建一个电场视图；创建动态演示场覆盖图 内场分析结果 1、
0.75图形化显示S参数计算结果
XY Plot 1TeeModalCurve Infomag(S(Port1,Port1))Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port2))Setup1 : Sweep1ANSOFT0.63mag(S(Port1,Port3))Setup1 : Sweep10.50Y10.380.250.138.008.258.508.759.00Freq [GHz]9.259.509.7510.00 图形化显示S参数幅度随频率变化的曲线
2、
查看表面电场分布
表面场分布图
3、动态演示场分布图
实验总结：
实验二 T形波导的优化设计
实验目的
1、 熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步骤及工作流程。 2、 掌握T型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原理。 实验仪器
1、 装有windows 系统的PC 一台 2、 HFSS15。0 或更高版本软件 3、 截图软件 实验原理
利用参数扫描分析功能。分析在工作频率为10GHz时，T形波导3个端口的信号能量大小随着隔片位置变量Offset的变化关系。利用HFSS的优化设计功能,找出隔片的准确位置,使得在10GHz工作频点，T形波导商品3的输出功率是端口2输出功率的两倍. 实验步骤
1、新建一个优化设计工程；
由主菜单选File\\Open，打开第二部分所创建的Ex1_Tee.hfss文件.由主菜单选 File\\Save as，保存在自建文件夹内，命名为OptimTee.hfss,删除频率扫描。
2、参数扫描分析设置和仿真分析：
在工程树中选Optimetrics项上点右键，选择Add\\Parametrie项添加参数扫描分析项。
定义输出变量:添加变量扫描定义：在对话窗的 Sweep
Definitions 标签页,点击Add，在新弹出窗口中已经默认调节变量为offset选择Linear step项，变量范围设为0～1，阶长为0.1，单位均为 in，点击 Add，则在窗口右侧加入调节变量及其设置。点OK。
定义输出变量:在Calculations标签页(注：设置页面可以在工程树下Opimetrics/ParametricSetup1打开）,点击左下角Setup Calculation，则弹出Add/Edit Calculations对话窗.点击左下角Output Variables,弹出Output Variables对话框，定义Power11、Power21、Power31变量。
运行参数扫描分析：在工程树中的ParametricSetup1项上点击右键，选择Analyze,对参数设置中变量扫描定义的每一个变量进行3D场分析求解。全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。
创建S参数与Offset变量的关系曲线图：在工程树的 Results项点右键,选择Create Modal data Report项选择Rectangular Plot,点OK完成，则弹出对话窗默认选择Trace选项. 3、优化设计：
添加优化变量： 由主菜单选HFSS\\Design Properties,在弹出对话窗选择Optimization项,在offset栏勾选Include项,点击确定完成。
添加目标函数：这里的优化目标是端口3的输出功率是端口2的2倍，目标函数为：Power31-2＊Power21=0。优化设置的对话框下在 Goals 标签页，点击左下角Setup Calculation选项，弹出Add/Edit Calculation对话框,点击左下角Output vadiables，创建新的一个目标变量，Name栏中为：Cost，通过Insert into Expression选项在Expression栏中写入表达式：Power31—2＊Power21。然后点击Add，最后点击
右下方Done。返回到Add/Edit Calculation对话框，点击下方Add Calculation，添加目标变量到Setup Optimization对话框Cost中。
设置优化变量的取值范围：选择Variables标签页，在Variable列只有offset变量，勾选Override项，在starting Value列输入0.1。Min中:0，Max中：0。3，offset变化范围在0到0。3in之间. 运行优化分析：在工程树的 OptimizationSetup1 项上点右键，选择Analyze，进行优化分析。此过程需要几分钟，可进行下面的实验步骤。在工程树的OptimizationSetup1项上点右键，选择View Analysis Result，察看优化结果。 实验结果 1、
1.00创建功率分配随变量Offset变化的关系图
XY Plot 4HFSSDesign1power range with offset0.80Curve Infopower11Setup1 : LastAdaptiveFreq='10GHz'power21Setup1 : LastAdaptiveFreq='10GHz'power31Setup1 : LastAdaptiveFreq='10GHz'0.60power0.400.200.000.000.200.40Offset [in]0.600.801.00 输出变量随变量Offset变化的关系图
分析：从上图所示的图可以看出，当变量Offset值逐渐变大时，即隔片位置向端口2移动时，端口2的输出功率逐渐减小，端口3的输出功率逐渐变大；当隔片位置变量Offset超过0。3英寸时,端口1的反射明显增大，端口3的输出功率开始减小。因此，在后面的优化设计中，可以设置变量Offset优化范围的最大值为0.3英寸.同时,在Offset=0。1英寸时，端口3的输出功率约为0.65，端口2的输出功
率略大于0.3，此处端口3的输出功率约为端口2输出功率的两倍。因此，在优化设计时,可以设置变量Offset的优化初始值为0。1英寸。另外，变量Offset优化范围的最小值可以取0英寸。 2、表面电场随变量Offset变化
Offset=0in Offset=0。3in
Offset=0。6in Offset=0。9in
优化设计结果 1、优化结果
0.630.50Cost0.370.250.130.0002468Evaluation101214
在offset=0.093in时，目标函数（Cost function）：Power31-2＊Power21=0.000003达到预期优化效果。 2、
优化后电场分布
实验总结：
实验三 半波偶极子天线仿真实验报告
实验目的
1、学会简单搭建天线仿真环境的方法，主要是熟悉日HFSS软件的使用方法
2、了解利用HFSS仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法 3、通过天线的仿真,了解天线的主要性能参数，如驻波比特性、smith圆图特性、方向图特性等
4、通过对半波偶极子天线的仿真，学会对其他类型天线仿真的方法 实验仪器
1、装有windows系统的PC一台 2、HFSS 15。0 3、截图软件 实验原理
本次实验设计一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线。天线沿着Z轴放置，中心位于坐标原点，天线材质使用理想导体，总长度为0.48λ，半径为λ/200。天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为0.24mm，辐射边界和天线的距离为λ/4。
首先明白一点:半波偶极子天线就是对称阵子天线。
2、对称振子是中间馈电,其两臂由两段等长导线构成的振子天线.一臂的导线半径为λ/200。长度为l=0.48λ。两臂之间的间隙很小,理论上可
以忽略不计，所以振子的总长度L=21.对称振子的长度与波长相比拟,本身己可以构成实用天线。
3、在计算天线的辐射场时，经过实践证实天线上的电流可以近似认为是按正弦律分布。取图1的坐标,并忽略振子损耗，则其电流分布可以表示为:
式中,Im为天线上波腹点的电流；k为相移常数、根据正弦分布的特点，对称振子的末端为电流的波节点；电流分布关于振子的中心店对称；超过半波长就会出现反相电流.
4、在分析计算对称振子的辐射场时，可以把对称振子看成是由无数个电流I（z）,长度为dz的电流元件串联而成。利用线性媒介中电磁场的叠加原理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和.
图2对称振子辐射场的计算
如图2所示，电流元I（z）所产生的辐射场为
5、方向函数
实验步骤
1、设计变量(以表格的形式列出来）
设置求解类型为Driven Model类型,并设置长度单位为毫米。提前定义对称阵子天线的基本参数并初始化、创建偶极子天线模型，即圆柱形的天线模型。（模型截图贴在下面）
其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。设置端口激励（附以截图)
半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面。
4、设置辐射边界条件(截图)
要在HfSS中计算分析天线的辐射场，则必须设置辐射边界条件.这里创建一个沿Z轴
放置的圆柱模型，材质为空气。把圆柱体的表面设置为辐射边界条件。
外加激励求解设置分析的半波偶极子天线的中心频率在3GHz，同时添加2。5 GHz:^3.5 GHz：频段内的扫频设置,扫频类型为快速扫频。 5、设计检查和运行仿真计算
6、HFSS天线问题的数据后处理(截图，并做相应的说明） 具体在实验结果中阐释。 实验结果 1、回波损耗S11
回波损耗回波损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射，是天线设计需要关注的参数之一.
图中所示是在2。5 GHz ^3.5 GHz频段内的回波损耗，设计的偶极子天线中心频率约为3GHz， S11<—10dBd的相对带宽BW= (3。25-2.775） /3*1000/=15.83％ 2、电压驻波比
驻波比，一般指的就是电压驻波比,是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。
由图可以看到在3G赫兹附近时,电压驻波比等于1，说明此处接近行波，传输特性比较理想。
3、smith圆图史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简便图解方法。采用双线性变换， 将z复平面上。实部r=常数和虚部x=常数两族正交直线变化为正交圆并与:反射系数|G｜=常数和虚部X=常数套印而成。
从smith圆图可以看到，在中心频率3G赫兹时的归一化阻抗约为1,说明端口的阻抗特性匹配良好。
4、输入阻抗传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质上是个等效阻抗。只有确定了输入阻抗，才能进行阻抗匹配。
图中所示的输入阻抗分别为实部和虚部，在中心频率3G赫兹时，输入阻抗比较的理想，容易实现匹配. 5、方向图
方向图是方向性函数的图形表示，他可以形象描绘天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系。辐射特性有辐射强度、场强、相位和极化.通常讨论在远场半径为常数的大球面上，天线辐射（或接收)的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律,并分别称为功率方向图和场方向图。天线方向图是在远场区确定的,所以又叫远场方向图。 电场方向图:
由图可以看到，电场方向以Z轴为对称轴，在XOY平面上电场最强，且沿四周均匀辐射。但沿着Z轴方向电场强度很弱. 磁场方向图:
磁场方向图在XOY平面上接近一个圆，虽然看上去有些误差。说明磁场在XOY平面上辐射较为均匀. 三维增益方向图:
这张图可以很具体的看出半波偶极子天线沿着Z轴对称辐射的情况。
6、其他参数
利用HFSS软件仿真还可以得到天线在该辐射表面上得最大辐射强度、方向性系数、最 大强度及其所在方向等参数.
图39 扫描变量＄l得到的方向图
实验总结
通过本次HFSS 天线仿真实验，使我更加真实、贴切的了解天线的原理和用途。生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线,却不知其意义何在。在这次实验过程中，我不停的操作、翻阅资料、上网查阅文献，对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清楚的认识,对天线的各种参数也有了具体的理解，这些东西对以后的相关学习和研究打下了基础。
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