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标题: HFSS天线仿真的一些问题，求大神指点 [打印本页]
作者: Joen0_0    时间: 2019-3-7 11:17
标题: HFSS天线仿真的一些问题，求大神指点
1.电磁波频率低时,磁电之间的相互变化比较缓慢,其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时,磁电互变甚快,能量不可能全部返回原振荡电路,于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去,不需要介质也能向外传递能量,这就是一种辐射。
/ F1 p- Q- T2 [6 j. N为什么频率低时能量几乎全部返回原电路？不知道怎么去理解这个现象/原理。。。- N7 |8 g& i& l4 l9 O1 D& L9 P
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2.我用HFSS仿真一个偶极子天线，发现辐射边界对于仿真结果的影响比较大，如下图
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1 ]' {$ h9 `: `& }, y: r6 A
* `, b" U& o# m8 ]  ~
' A" d% w) r+ }. a4 D看了李明洋老师的资料，这边只写到了不小于1/4的波长，不知道有没有大神能指点一下，怎么设置这个边界才能仿真出比较准确的结果？
8 N3 d; y* ?# h: J, t. ? ' t7 J- s( G8 A

* {# V; s& i- o3.仿真结果的阻抗和电抗用什么标准去评定？就比如我仿真一个WIFI-2.4G的天线，这个理论上阻抗需求是50R，电抗为0，但实际应该有个范围的吧？
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作者: rfjiao    时间: 2019-3-7 11:49
楼主看来是天线初学者。$ m6 F$ }  |5 p- A3 e% e4 m
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为什么频率低时能量几乎全部返回原电路？不知道怎么去理解这个现象/原理？3 Y1 G, G6 U0 \( i" C8 h

+ q& Z* V$ z3 W. D7 @1 ^3 X这个结论是相对的。当天线谐振频率远高于电路输出的频率时，RF能量会在天线端口反射，无法辐射能量。
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看了李明洋老师的资料，这边只写到了不小于1/4的波长，不知道有没有大神能指点一下，怎么设置这个边界才能仿真出比较准确的结果？8 ~) s  O; i  V2 M  N) }

8 H( f2 u/ d( J# h* d1 c. x, X其实你可以看你自己的仿真结果，辐射BOX为70mm和80mm时，结果已经非常接近了，误差几乎可以忽略不计。这里说的1/4波长只是个大概经验值，其实辐射边界离天线体越远，仿真结果越准确，只是相应的计算时间就会延长。具体边界范围怎么选，还是要看自己的需求，个人建议1/2~1波长即可，太大影响仿真速度。7 Q  O- d, k& C

$ y) |: @. m# y# o* {, p% p6 P( h仿真结果的阻抗和电抗用什么标准去评定？就比如我仿真一个WIFI-2.4G的天线，这个理论上阻抗需求是50R，电抗为0，但实际应该有个范围的吧？
& H1 O- f- I) N% H, m0 {( }+ Q6 t/ N) M; ~4 F
天线的性能不是用阻抗来定义的，否则我并联一颗50欧电阻就万事大吉了。天线性能使用效率、增益、方向图来定义的。这方面请参考专业书籍。
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作者: Joen0_0    时间: 2019-3-7 13:47
rflower 发表于 2019-3-7 11:49
9 @) @/ m! b4 I7 y! ]楼主看来是天线初学者。
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为什么频率低时能量几乎全部返回原电路？不知道怎么去理解这个现象/原理？

3 B+ D0 ]- i+ i哇，非常感谢，天线性能评定这一块不是很了解，网上看资料，比较容易知道谐振频率，带宽和增益的需求。就是不太清楚阻抗和电抗是否有详细的要求。方向图的话，也还在看对应的资料。
/ E9 _$ s" x0 B3 l再次感谢4 y+ z, s2 j3 P0 W3 c) ]2 E
作者: rfjiao    时间: 2019-3-8 10:02
Joen0_0 发表于 2019-3-7 13:471 x* u" O* o% U) v/ K
哇，非常感谢，天线性能评定这一块不是很了解，网上看资料，比较容易知道谐振频率，带宽和增益的需求。就 ...
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欢迎常来射频版块提问题，共同探讨，共同进步% }. ~+ @4 w# R: Z5 S* U  H, h
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作者: Joen0_0    时间: 2019-3-14 09:33
rflower 发表于 2019-3-8 10:02
1 x, B: ^# k( U8 G  D! S欢迎常来射频版块提问题，共同探讨，共同进步

$ v- N9 }* B2 m% f" C3 j版主，想问一下，对于微带线辐射，怎么辐射，跟激励频率，幅值等等有什么关系应该看哪些资料，没找到相关的资料？
作者: Joen0_0    时间: 2019-3-14 16:49
对于上面的第1点，翻了很多资料，我是不是可以这样理解？（我不理解电磁波是如何从激励源出到自由空间的，或者说激励源如何在空间中产生电磁波）% \1 K; L3 l" j
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结合图123我是不是可以理解成：4 b- i3 Q0 s7 U
当频率F一定时，若天线长度远小于波长时（如图3-a段），此时，a段各点电压在同一时刻不会相差很大，电流（dI/dt）也就不会很大，辐射就很小。
1 N. \$ K3 z' n2 T9 j4 t1 s7 ~/ ^9 r想问一下
! W" f1 m% s( W; N- I; i1.此时的辐射（辐射强度/电场强度/磁场强度）跟频率/电流的关系？能否推荐些资料看一下？: s: ^; M+ o) s" N, M$ Y
作者: needham    时间: 2019-3-15 10:54
为楼主的钻研精神点赞！！
作者: needham    时间: 2019-3-15 11:11
来学习下，给楼主点赞，给版主点赞
作者: rfjiao    时间: 2019-3-15 11:38
我也为楼主的钻研精神点赞！学习是一个持续的过程，学习过程中必然会碰到各种问题，然后解决它，自己就得到提升了。
5 |( J, f: Q  J/ a
# _; l! e: X! d( @3 s0 [- `, i楼主的问题其实可以解释为一个问题，就是天线为什么可以辐射？天线辐射的原理是什么。
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! W4 ~6 ^" I* `0 h0 g# A% Y9 s解答了这个问题我们再来研究为什么尺寸远小于波长的天线辐射性能不好。
作者: rfjiao    时间: 2019-3-15 11:58
我本科是学天线的，可惜学得不好~ 老师教的那点东西都忘光了& y4 r- \5 R" L: p; Z

3 l- D" n  x# _! g% c; H5 Y* E2 P4 j借楼主的光，来复习一遍哈。不说闲话了，开始回忆~~~~~+ }( o# h, t, E4 M1 J  |
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天线辐射强弱可以用天线辐射出来的电磁波的强弱来衡量，那么什么是电磁波？
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我估计大家可能觉得，好像很简单哦，电磁波就是一道波啊，就和声波一样。是这样么？5 B! [5 ~: E9 \2 }8 k: a

1 M+ \* p/ h- P# G" @9 L- |- e1 ?$ v其实不然，电磁波的传输和声波还真不一样。电磁波本质上是电环接磁环接电环接磁环........，连绵不绝环环相扣的传输模式。
! |; a9 O  x7 d! S/ i; C
1 }( q) S# \  e0 q. \. ^8 i其传播理论可以用伟大的，神一样的，麦克斯韦方程来解释。
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如果不明白电磁变换的基本原理~ 请找本高中物理课本好好学习下8 f: S6 O$ b$ l! v1 w, |
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天线上的电荷移动，导致了天线附近空间里的电场变化，从而带动更远地方的磁场变化，磁场变化又带动更更远地方的电场变化，就这样一环一环的传播出去了
作者: rfjiao    时间: 2019-3-15 13:26
当频率F一定时，若天线长度远小于波长时（如图3-a段），此时，a段各点电压在同一时刻不会相差很大，电流（dI/dt）也就不会很大，辐射就很小。% U& d4 n- Z1 {+ R* B; o
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楼主这样理解是说明楼主是真的用心思考过这个问题的。楼主的这个结论相对来说，其实是正确的。只是我们一般不这样来描述天线辐射的原理。
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; M( \; `& ~0 @' q1 I& U. N4 M3 ^我们通常用描述天线上电荷移动的方式来描述天线的辐射。
作者: rfjiao    时间: 2019-3-15 13:45
下面让我们以偶极子天线为例，描述下辐射产生的原理。
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! L" }/ y) u9 m- s. p3 I' g2 N我们都知道，均匀电流的周围，是不会有电磁波辐射的（电场及磁场稳定无变化），但是变化的电流周围，就会有电磁波的产生。  c" W- Z3 r, h, A
（这就是为什么开关电源会带来辐射干扰的原因）
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假设我们的偶极子天线就是一段长直导体。当电荷沿着长直导体匀速运动时，周围并不会有电磁波产生，也就不会有辐射。  V; }7 O" h2 Q* i. G* T

  R6 u* s0 s2 _8 m1 D: H# {, z( F但是，当电荷沿长直导体往返加速（或减速）运动时，就会在周围产生电磁波，形成辐射。- `2 y+ A4 J* l1 ^* g
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作者: rfjiao    时间: 2019-3-15 14:11
本帖最后由 rflower 于 2019-3-15 14:29 编辑
; U% n1 J, _6 |5 b  n8 Y$ b) |3 ^
我们用图来描述，偶极子天线是如何产生辐射的。方便起见，图我就直接截教材里的
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, Q* I& j+ t' P) F2 L" r/ ^我们假设，一段长直导体两端分别各有一颗电量相等，极性相反的电荷，设两颗电荷之间的即时间距为L，而长直导体的长度为L0
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$ c$ m4 C- A$ |) @. d& ?# C# S( L% S/ |1 Q) r' O2 @9 a; c! C
设此时t=0，因为电荷分别位于导体两端，所以两颗电荷之间的压差V为最大，电荷移动的加速度为最大，但是电荷还没有开始移动，所以电流I=0，电场场线路图所示。( I% J# D- q. U2 \' r
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& L" V# ^& b+ h
作者: rfjiao    时间: 2019-3-15 14:28
本帖最后由 rflower 于 2019-3-15 14:30 编辑 ; f; M) d+ a' Q1 ~& E4 [
: _. D1 u% l6 }# P
电荷异性相吸，在某些不可描述的力的作用下，两颗电荷开始靠近，而且移动速度越来越快，而加速度则慢慢变小! ^2 a: Y5 p1 @2 c7 z- D% {; n& v

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4 m( s0 \- Y" R9 f; l6 n假设此时t=1/8T，由于电荷的移动，长直导体上产生了电流，电场也发生了变化。两个电荷是加速靠近的，从而推动电场场线外移，也就是波前外移。
" x, V* f, \# `7 q; H) z! N. _这里加入一个书中的一个名词 波前，字面上的意思就是电磁波的正前方4 c0 J% ]7 O' w, v& D
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4 f; B% L; f0 E, z- ]
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作者: rfjiao    时间: 2019-3-15 14:49
两个电荷继续移动，并在中点交汇。此时t= 1/4T# Q1 f5 T% o* b

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$ c6 p7 a* g6 p+ H2 b1 R2 e
& E7 B$ U$ [# K0 M0 C+ ^3 t此时电荷已加速到最大速度，所以电流I=max，而压差V=0，电荷的加速度随着压差的消失也变为0，波前因为电荷的移动而继续向外移动。+ z2 h5 h5 Q8 U
两颗电荷交汇以后不是停下了，而是继续移动，所以我们看到电场场线在中点有一个交叉。而这个交叉最终会切断原先的场线，从而产生一个电场闭环
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& }9 `1 \9 L3 |: M% n- F/ r1 x! C1 Z4 b7 f  ~" r( F
作者: rfjiao    时间: 2019-3-15 15:01
两颗电荷交错而过，继续向相反的方向移动，此时t=3/8T
! U  ~0 Y. y. Z4 ]/ V9 w7 k% ~! U1 p& F5 D8 M8 g$ q" Q

0 c( l$ _) M+ V& e2 e2 A
$ V5 u, \4 x$ P' I; _6 F& ^我们看到由于电荷的交错，电荷之间的电场方向发生了变化，场线方向和原先相反，原先的场线只好和新场线做了个切割。# t* J: A: c7 ?; q; r/ q
而且新产线不断变大，从而对原产线产生了挤压，波前不断外移，就这样，辐射产生了( _: A+ }' D* D# P: b. D

+ u& B2 ^. s( v$ s3 F. w: T要注意，此时电荷因为不可描述的力的左右，其移动是减速的，电流不断减小，而因为距离拉远，新的压差又产生了，并且不断变大。2 a$ y- l( f3 Y! S" [' R; N
  G- _" Z$ F- c- M
" ?9 e$ u) q$ M: @, Y
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作者: rfjiao    时间: 2019-3-15 15:13
终于，这两颗电荷经过长途跋涉，来到了长直导体的末端，而不得不停下来。此时t=1/2T2 l: X4 G# ?. ?$ _4 X6 M( y

: j& o% a3 Z& G0 N- T
% b, N5 w& b2 {+ T/ S2 Z! u2 o+ a# o  ]. P, a
我们看到，新的电场线已形成，和原先的场线强度相当而方向相反。电流因为电荷运动的停止而归零，电荷间的压差则再次达到最大。
- v8 D1 H& B/ e) f5 ]
: `+ [- {, U$ v5 U在接下来的1/2T时间里，两个电荷会再次靠近，交汇，远离，直到回到原来的位置，一个新的闭环场线也将脱离导体，向外辐射。$ ?6 T4 k9 ]4 h( f/ z
! ~. r" n6 ?. t2 a/ c
这就是天线辐射的基本原理，怎么样，是不是很简单啊8 V4 }/ N& W1 }4 O) y- i
4 \, [) O5 g2 ^
作者: rfjiao    时间: 2019-3-15 15:19
当长直导体中，无数多个电荷，同时开始往复运动以后，就形成了下面这种辐射场' @# n; x9 V: K$ R' E, H- W& w
7 B: T, M# J9 {1 B/ q- z

/ a$ s/ m1 v, W8 G) L+ g! Q6 d
" ~4 b3 s' T! s. u我们看到，无穷无尽的场线被切割，被挤压，不断向外扩散而去。
, S" W( o0 n& s$ \; `' n( @1 r" K2 a# O8 K# `
2 r9 d* _0 c7 X- X
作者: rfjiao    时间: 2019-3-15 15:38
回到楼主的问题，为什么当偶极子天线远小于工作波长时，辐射能力会变得很差？5 r8 }# x& y+ Z! r! i% a7 s( p( D
6 ^/ u; Y, H$ v
我觉得我们可以从偶极子天线辐射的原理来解释，让我们回到第一张图，也就是t=0的时候。4 m4 E8 T% Z# ?0 F6 O

1 L% ?$ {* F( ^4 V* @
" D8 }! u% b/ ~
4 {3 G3 N/ }- M/ B1 D. T3 ~当天线尺寸比较小时，两个电荷之间的压差会比较小，而原始的场强也比较小，闭合场线离开天线后的能量携带也就比较小，辐射能力自然就差了。4 @2 K6 n- }# z9 h! W. G1 _7 _
: H2 K* X) F  O
楼主的理解是从电流的角度来分析，这也没有错- q/ w7 ]/ S2 P% t( k7 W$ w! U

  I* ]0 R8 X4 }/ A; E# {1 U/ Y* u4 W% }/ [6 ?
+ C# ^1 d: r2 T% O! M) _5 w
作者: rfjiao    时间: 2019-3-15 15:44
最后来一个简单粗暴的公式，它简洁的描述了天线增益和天线尺寸及波长之间的关系。
' N: V0 i2 _. @& s& \
; b; @7 ]/ I. ~% c) U 0 n5 @5 P" {# @0 L# c9 f
8 u9 P, m. o) ~
这个G 为天线增益，通常我们用天线增益来形容辐射能力的强弱6 p' x# k  `2 I2 |; W7 j
0 ]7 u6 y. ?" v' K- e# v+ a
Aet 为天线的有效尺寸，或者说有效面积% M7 E* b: k9 A" c+ k- Y& P

  {: B0 E$ C" X9 ]" L8 ~' T% k兰大就不用我解释了吧，波长。
& O& H* r) n2 c& o9 \
% y% R; a) N0 m' X6 D由这个公式可以看出，天线尺寸越大，天线的辐射性能越好。- u- y, _$ c+ W
! s: c8 d3 |0 T! h
到这就结束了，楼主还有疑问可以直接提出来，我看到会尽量解答
0 y9 a; u+ Y# H% i  o( i/ E# Y6 Z

. K0 a' Z# u. d7 q
作者: cq225    时间: 2019-3-15 16:20
厉害了，留名学习
作者: gdwyqhcy    时间: 2019-3-15 18:48
学习一下！！！  M) s9 Y1 t% U! S; \
作者: Joen0_0    时间: 2019-3-18 10:54
rflower 发表于 2019-3-15 15:44
" a$ A" k7 g, @$ T" q8 g最后来一个简单粗暴的公式，它简洁的描述了天线增益和天线尺寸及波长之间的关系。

$ A  T4 r( \6 F& Z1 A& W3 X! O8 O
* P5 ~" [* O) P: T) e$ h+ T因为我爱做电子技术的东西，但我本专业不是电子及相关的，所以找这些资料比较费劲，所以非常感谢版主的耐心讲解。  S0 T" y6 [! L
最近刚好在学习设计板载天线，我又习惯把原理弄明白了再一步步学习设计，所以在这里提问，非常幸运遇到这么耐心的版主，讲的明明白白的，哈哈5 N4 z6 w1 s& J4 C; Z: M
作者: hotice    时间: 2019-3-26 15:28
强大啊，学习了！
作者: Joen0_0    时间: 2019-4-15 15:22
rflower 发表于 2019-3-15 15:440 ^* |8 f9 A* W0 Y
最后来一个简单粗暴的公式，它简洁的描述了天线增益和天线尺寸及波长之间的关系。
6 p& D1 _: u( e4 B; c; M
版主你好，我又来问问题了~~！  想问一下，HFSS是怎么计算的S参数，虽然有官方说明，但是看不太懂! B, v$ _, b6 R# _
  能不能粗俗的讲一下他把空间分成有限个小四面体，是怎么算出S参数的？
, v  n8 H! O8 B5 Q, p% }5 H8 w ' l! r! ^: {8 L) B6 |# ]! J
作者: Joen0_0    时间: 2019-6-8 22:23
前段时间换工作/ x* y2 a/ E$ ~( s' f1 E9 a
怎么计算的，推荐大家看一篇资料
# ~6 M$ ]8 y# ?0 r3 x. _3 k& h5 x, ^https://wenku.baidu.com/view/439 ... 4c2e3f572725b1.html& t% b6 V- y* M
; P) z2 e# ]% p  W2 T; f+ L4 X9 r
作者: cmliang    时间: 2021-10-20 15:54
非常不错，HFSS功能确实非常强大。
作者: yuzhouyouling    时间: 2024-11-8 13:56
Joen0_0 发表于 2019-6-8 22:239 A$ |* O7 _' Y9 |3 e6 c0 T
前段时间换工作' l3 c6 _( A* S
怎么计算的，推荐大家看一篇资料+ }7 I, `* {0 Y2 M8 p- @
https://wenku.baidu.com/view/439fa57f80c758f5f61fb73 ...
  M) B: ~2 v3 x0 X4 s. U
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