lucrarea 6

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


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


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


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:


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:


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?


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.


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


9

Eliminarea materialului în exces presupune selectarea celor doua trunchiuri şi

scăderea lor:


Modeler/Bolean/Substract...


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


11

Draw/Cylinder

Name: Step2

Draw/Cylinder

Name: Cil1

Draw/Cylinder

Name: Cil2


12

Se elimină materialul suplimentar:



13

Modeler/Boolean/Substract...



14

Modeler/Boolean/Substract...


15

A mai rămas de eliminat un surplus de material:

Draw/Cylinder

Name: end


16



17

Modeler/Boolean/Substract


18

Draw/Circle

Name: Circle1

Draw/Circle

Name: Circle2


19

Tine tasta Ctrl apasată

Clic stânga pe Circle1 şi Circle2

Modeler/Boolean/Substract


20

Selecteaza :


21

Modeler/Boolean/Unite

Selecteaza:

Modeler/Boolean/Unite

Definirea portului: WavePort

Draw/Circle


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.


23

Clic stinga


24

Clic dreapta

Next

Finish


25


26

Următorul pas constă în definirea condiţiilor la limită:



27

Selectare cone!

OK

HFSS/Boundaries/Assign/Perfect E


Selectare step2!

OK



28


Selecteaza Circle1!

OK


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.


29

Se denumeşte Air


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


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)


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


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.


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.


33

HFSS/Fields/Plot Fields/E/Mag_E


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!


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)


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

lucrarea 6

Documents