Nicolae Crisan-DIDATEC 1 Lucrarea 6 Titlu: Proiectarea şi optimizarea unei antene „Horn” în banda X Obiective Proiectarea unei antene „Horn-corugated” de bandă largă pentru recepţia sau transmiterea semnalelor radio în banda X (8-12GHz). Însuşirea de deprinderi practice prin măsurători cu analizorul spectral şi utilizarea unor sisteme complexe de microunde în strânsă relaţie cu antena. ! Rezultat intermediar corect treci la pasul următor -> Timp estimativ: 150 min Cerinţe Să se proiecteze o antenă corugated cylindrical horn pe frecvenţa de 10 GHz. Antena este din aluminiu. Se va utiliza un sistem SDR şi mai multe mixere pentru a se converti frecvenţa de 10 GHz la o frecvenţă intermediară cât mai mică. Etapa 1: Desenarea structurii Pasul1: Se lansează HFSS cu click stânga pe Programs/Ansoft/HFSS 12 Pasul2: Setări iniţiale ale mediului HFSS. Aceste setări au rolul de a vă uşura lucrul cu interfaţa HFSS. Setările se vor salva automat şi devin permanente astfel încât nu va fi nevoie de repetarea operaţiilor de fiecare dată la pornirea HFSS. Se selectează din meniu: Tools/Options/HFSS Options. Din fereastra HFSS Options: Se dă clic pe General tab Use Wizard for data input when creating new boundaries -> Check
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Nicolae Crisan-DIDATEC
1
Lucrarea 6
Titlu: Proiectarea şi optimizarea unei antene „Horn” în banda X
Obiective
Proiectarea unei antene „Horn-corugated” de bandă largă pentru recepţia sau
transmiterea semnalelor radio în banda X (8-12GHz). Însuşirea de deprinderi
practice prin măsurători cu analizorul spectral şi utilizarea unor sisteme complexe
de microunde în strânsă relaţie cu antena.
! Rezultat intermediar corect treci la pasul următor ->
Timp estimativ: 150 min
Cerinţe
Să se proiecteze o antenă corugated cylindrical horn pe frecvenţa de 10 GHz.
Antena este din aluminiu. Se va utiliza un sistem SDR şi mai multe mixere pentru a
se converti frecvenţa de 10 GHz la o frecvenţă intermediară cât mai mică.
Etapa 1: Desenarea structurii
Pasul1: Se lansează HFSS cu click stânga pe Programs/Ansoft/HFSS 12
Pasul2: Setări iniţiale ale mediului HFSS. Aceste setări au rolul de a vă uşura lucrul
cu interfaţa HFSS. Setările se vor salva automat şi devin permanente astfel încât
nu va fi nevoie de repetarea operaţiilor de fiecare dată la pornirea HFSS. Se
selectează din meniu: Tools/Options/HFSS Options.
Din fereastra HFSS Options:
Se dă clic pe General tab
Use Wizard for data input when creating new boundaries ->
Check
Nicolae Crisan-DIDATEC
2
Duplicate boundaries/mesh operations with geometry ->
Check
Se apasă OK
Se va selecta din meniu: Tool/Options/Modeler Options
Apare fereastra Modeler Options
Clic stânga pe Operation Tab
Automatically cover closed polylines -> Check
Clic stânga pe Drawing Tab
Edit property of new primitives -> Check
Se apasă OK
Pasul 3: Se deschide un proiect nou: File/New
Din meniul Project se selectează Insert HFSS design
Pasul 4: Setarea tipului soluţiei:
Se va selecta din meniu -> HFSS/Solution Type
Din fereastra Solution Type se va opta pentru Driven Modal
Nicolae Crisan-DIDATEC
3
Oare unde am auzit de Eigenmode ? Ar fi bine să înbtreb tutorele. Am
destul curaj?
Pasul 5: Modelarea 3D liniei de alimentare şi a antenei
Se vor alege prima dată unităţile de măsură:
Vom lucra în mimlimetrii:
Din meniu selectează Modeler/Units...:
Selectează: mm
Se va selecta materialul din care este confecţionată antena
Nicolae Crisan-DIDATEC
4
Antena va fi din aluminiu deci în fereastra Select definition vom selecta din
lista de materiale predefinite aluminum:
Desenarea primului element al dipolului:
Se introduce lista cu parametrii antenei:
Nicolae Crisan-DIDATEC
5
Se desenează ghidul de undă circular , îl vom denumi Waveguide , din meniu se va
selecta Draw/Cylinder. Se introduc coordonatele şi anume poziţia şi dimensiunile:
Se va denumi Waveguide şi se apasă butonul OK. Pentru a vedea imaginea
completă a cilindrului desenat se apasă simultan CTRL+D.
Se desenează un al II-lea cilindru din aluminiu CW_inner:
Nicolae Crisan-DIDATEC
6
Elementul finit este o cavitate cilindrică ce se va obţine prin scăderea lui
Waveguide din CW_inner:
Edit/Select/By name...
Oare ce pot face cu butoanele din toolbar? Le pot folosi
pentru a roti structura 3D desenata?
Nicolae Crisan-DIDATEC
7
apasă butonul OK.
Se va elimina materialul în surplus astfel:
Selectează din meniu: Modeler/Boolean/Substract
Clic OK.
Am reusit sa desenez o simpla teava cu un dop la capăt !
Nu-i mare lucru.
Nicolae Crisan-DIDATEC
8
Structura desenată va folosi ca rezonator. De dimensiunile ei depinde la ce
frecvenţă va fucţiona antena.
Structura următoare are rolul de a face trecerea de la impedanţa ghidului la cea a
mediului. Vom începe cu un trunchi de con ce se va numi Cone:
Draw/Cone
Pentru a elimina materialul în exces se va mai desena un trunchi de con ceva mai
mic pe care îl vom numi Cone_inner:
Draw/Cone
Nicolae Crisan-DIDATEC
9
Eliminarea materialului în exces presupune selectarea celor doua trunchiuri şi
scăderea lor:
Edit/Select/By name...
Modeler/Bolean/Substract...
Nicolae Crisan-DIDATEC
10
Surplusul de material a fost eliminat. Acum trebuie să ţinem cont de faptul că
antena este „corrugated”, adică cu adaptare în trepte (scăriţă). Vom folosi patru
tronsoane cilindrice:
Draw/Cylinder
Name: Step1
Nicolae Crisan-DIDATEC
11
Draw/Cylinder
Name: Step2
Draw/Cylinder
Name: Cil1
Draw/Cylinder
Name: Cil2
Nicolae Crisan-DIDATEC
12
Se elimină materialul suplimentar:
Edit/Select/By name...
Nicolae Crisan-DIDATEC
13
Modeler/Boolean/Substract...
Edit/Select/By name...
Nicolae Crisan-DIDATEC
14
Modeler/Boolean/Substract...
Nicolae Crisan-DIDATEC
15
A mai rămas de eliminat un surplus de material:
Draw/Cylinder
Name: end
Nicolae Crisan-DIDATEC
16
Edit/Select/By name...
Nicolae Crisan-DIDATEC
17
Modeler/Boolean/Substract
Nicolae Crisan-DIDATEC
18
Draw/Circle
Name: Circle1
Draw/Circle
Name: Circle2
Nicolae Crisan-DIDATEC
19
Tine tasta Ctrl apasată
Clic stânga pe Circle1 şi Circle2
Modeler/Boolean/Substract
Nicolae Crisan-DIDATEC
20
Selecteaza :
Nicolae Crisan-DIDATEC
21
Modeler/Boolean/Unite
Selecteaza:
Modeler/Boolean/Unite
Definirea portului: WavePort
Draw/Circle
Nicolae Crisan-DIDATEC
22
Name: 1
Selectează portul 1 ţinând tasta Ctrl apăsată şi selectând cu clic stânga numele
portului ca în figura de mai sus.
Se asignează portul suprafeţei selectate:
FFSS/Excitations/Assign/Wave Port
Apasă Next
Se defineste vectorul E.
Nicolae Crisan-DIDATEC
23
Clic stinga
Nicolae Crisan-DIDATEC
24
Clic dreapta
Next
Finish
Nicolae Crisan-DIDATEC
25
Nicolae Crisan-DIDATEC
26
Următorul pas constă în definirea condiţiilor la limită:
Edit/Select/By name...
Nicolae Crisan-DIDATEC
27
Selectare cone!
OK
HFSS/Boundaries/Assign/Perfect E
Edit/Select/By name...
Selectare step2!
OK
HFSS/Boundaries/Assign/Perfect E
Nicolae Crisan-DIDATEC
28
Edit/Select/By name...
Selecteaza Circle1!
OK
HFSS/Boundaries/Assign/Perfect E
Definirea mediului de propagare Air.
Selectăm „vacuum”.
Create/Cylinder
Pereţii metalici sunt electrici! Hmm… Asta
pentru că prin ei se închide câmpul electric deci apar nişte
curenţi pe suprafaţă.
Nicolae Crisan-DIDATEC
29
Se denumeşte Air
Edit/Select/By name...
Volumul de radiaţie este inchis deci nu pune problem deosebite, ne fiind nevoie
ca una din feţele cilindrului Air să nu fie de radiaţie. Se definește ca atare.
Edit/Select/By name…
Selecteaza Air.
OK
HFSS/Boundaries/Assign/Radiation
Rad1
OK
CTRL+D
Mediul de propagare trebuie să conţină toate elementele antenei.
Defineşte zona de radiaţie (reprezentare câmp îndepărtat):
Edit/Radiation/Insert Far Field Setup/Infinite Sphere
Name: ff_3d
Phi: Start: 0 Stop: 360 Step Size: 2
Theta: Start: -180 Stop: 180 Step Size: 2
Nicolae Crisan-DIDATEC
30
OK
Defineşte suprafaţa de vizualizare a câmpurilor:
Draw/Rectangle
Se lasă numele implicit Rectangle1
Etapa 2: Analiza structurii
Se va crea o analiză cu succesiunea de comenzi:
HFSS/Analysis Setup/Add Solution Setup
Solution Frequency: 12 GHz (ajută la digitizarea structurii)
Nicolae Crisan-DIDATEC
31
Maximum number of Passes: 8 (condiţia de oprire necondiţionată)
Maximum Delta S : 0.02 (obiectiv funcţie cost - eroare)
OK
Definirea domeniului de analiză (domeniul de frecvenţe de analizat):
HFSS/Analysis Setup/Add Frequency Sweep
Select Solution Setup: Setup1
OK
Sweep Type: Fast (foarte important-micşorează timp analiză)
Frequency Setup Type: LinearStep
Start: 8 GHz
Stop: 12 GHz
Step Size: 0.1 GHz
Save Fields: Checked
OK
Salvarea proiectului:
File/Save As
Filename: hfss_lucr6_nume_stud
Apasă butonul Save
Verificare:
HFSS/Validation Check
Nicolae Crisan-DIDATEC
32
Apasa butonul Close
Începe analiza:
HFSS/Analyze All
Etapa 3: Reprezentarea şi interpretarea rezultatelor
Verificarea convergenţei
HFSS/Results/Solution Data
În fereastra Solutions selectează Convergence
Plot : Checked
Rapoarte
Se crează un raport în care se vizualizează câmpul electric în secţiunea antenei:
Pentru aceasta se selectează suprafaţa pe care va fi reprezentat câmpul.
Edit/Select/By name...
Totusi! Am niste warning-uri. E cazul sa ma ingrijorez? Nu.
Am doar niste suprafete ce se suprapun. Calculatorul nu stie daca eu
am prevazut sau nu asta.
Nicolae Crisan-DIDATEC
33
HFSS/Fields/Plot Fields/E/Mag_E
Nicolae Crisan-DIDATEC
34
Interpretare: Rezultatul reprezintă variaţia câmpului electric în planul de secţiune
selectat anterior (Rectangle1). În figură se vede cum energia se grupează în
cuante ce se află la distanţa de lambda/4. La ieşirea din ghidul de undă circular
câmpul se decuplează tot mai mult de masa electrică ca şi cum ar exista o
adaptare între ghid şi exterior. Nu apare deci nici undă reflectată iar cea incidentă
se propagă în aer.
Animaţie!
Nicolae Crisan-DIDATEC
35
OK
Întrebări
1. Cum se grupează energia din ghid?
a. În perechi b. În cuante dB c. În grupuri de trei
2. Ce tip de soluţie (Solution type) s-a folosit la reprezentarea rezultatelor
a. Eigenvalue b. Driven modal dB c. Driven terminal
3. Cum se reprezintă rezultatul obţinut?
a. grafic b. numeric c. analitic
4. La ce distanţă sunt situate două maxime consecutive ale câmpului
vizualizat?
a. lambda b. Lambda/2 c. Lamda/4
Răspunsuri
1. B (pagina 34); 2. C (pagina 3) 3. A (pagina 34) 4. C (pagina 34)
Nicolae Crisan-DIDATEC
36
Temă
Să se vizualizeze: câmpul magnetic într-un plan de secţiune, Directivitatea antenei
(vizualizare 3d).
Sugestie: planul ales va fi perpendicular pe Rectangle1
Bibliografie
Ansoft HFSS – User’s quide – High Frequency Structure Simulator ver. 9.2,
Pittsburgh, PA 15219, Ansoft Corporation, USA, 2004