有限元分析课程报告同轴波导的谐波磁场的分析.doc

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1、 有限元分析报告同轴波导的谐波磁场的分析 姓名：王静班级：电控研10-1学号：471020551同轴波导的谐波磁场的分析1 建立模型 电磁波沿着一定的装置传输，这种装置起着引导电磁波传输的作用，这种情况下的电磁波称为导行电磁波，该种装置称为波导装置。导波装置由金属材料做成，常见的有平行双导线、同轴电缆、金属波导、介质波导等导波装置。不同的波导装置传输的电磁波模式不同，由此可知不同的波导装置其电磁波分布式不同的，但它们的分析方法类似。下面以同轴波导为例给出ANSYS分析的方法和步骤。本实例计算同轴波导匹配端口的散射参数（S参数）、阻抗和反射系数，考虑到对称性，本实例只建立了圆心角为5的一个扇区作

2、为分析模型，分析模型如图1所示：驱动端口匹配端口nbinbanbor1r0zxly图1 分析模型图内外导体为良导体，因此电场将主要分布在内外导体间，于是边界条件可假设为内外导体上的电场切分分量为零。内外导体间介质的相对磁导率和介电常数、内外导体的直径、波导长度、激励谐性电压（即内外导体电压最大振幅、频率）值，这些参数说明如表1所示：表1 参数说明材料特性几何特性载荷r=1.0ri=0.025m端电压=1.0r=1.0r0=0.075=0.8GHzl=0.03752 边界条件边界上的物理条件规定了物理量FI在边界上的值。 称为第一类边界条件。 当时称为第一类齐次边界条件。边界上的物理条件规定了物

3、理量的法向微商在边界上的值。边界上的物理条件规定了物理量及其法向微商在边界上的存在某一线性关系3分析场 同轴波导的谐波磁场的分析需要建立物理环境、建立几何模型、为模型各个区域定义相应的属性、划分网格、施加边界条件和载荷、求解步骤，最后输出显示计算结果。3.1建立物理环境1）过滤图形界面：进入ANSYS GUI 界面，找到Main MenuPreferences,弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，选中“High Frequency”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。2）定义工作标题：Utility MenuFileChange Title,在弹出

4、的对话框中输入“Harmonic Response Analysis of a Coaxial Cable”，单击“OK”按钮。指定工作名：Utility MenuFileChange Jobname,在弹出对话框的“Enter new jobname” 后面输入“Coaxial Cable”,单击“OK”按钮。3）定义单元类型和选项：Utility MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete,弹出单元类型“Element Types”对话框，单击“Add.”按钮，弹出“Library of Element Types”单元类型库对话框，在该对话框左

5、面滚动栏中选择“HF Electromagne”,在右边滚动栏中选择“3D Brick 120”,单击“OK”按钮，定义了一个“HF120”单元，回到单元类型“Element Types”对话框。在“Element Types”对话框中选择单元类型1，单击“Options.”按钮，弹出“HF120 element type options”对话框，在”Element polynomial order K1”后面的列表框中选择“Second order elm”,单击“OK”，定义了二阶HF120单元，回到“Element Types”单元类型对话框，单击“Close”退出。4）定义材料属性：M

6、ain MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models,弹出“Define Material Model Behavior”对话框，在右边的栏中连续双击“ElectromagneticsRelative PermeabilityConstant”,弹出“Permeability for Material Number 1”对话框，在“MURX”输入栏输入“1”，单击“OK”。 在“Define Material Model Behavior”对话框右边的栏中连续双击“ElectromagneticsRelative PermittivityConst

7、ant”,弹出“Relative Permittivity for Material”对话框，在“PERX”输入栏中输入“1”，单击“OK”按钮。最后单击“MaterialExit”结束。3.2建立几何模型、赋予特性、划分网格 1）建立几何模型：Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions，弹出“Create Cylinder by Dimensions”创建圆柱体对话框，如图3-1（a）所示。分别输入以下项： 在“Outer radius”输入栏中输入“0.025”； 在“Optional inner radi

8、us”输入栏中输入“0.075” 在“Z-coordinates”两个输入栏中分别输入“0”和“0.375”； 在“Starting angle(degrees)”输入栏中输入“0”； 在“Ending angle (degrees)”输入栏中输入“5”；单击“OK”按钮，创建了一个0-50范围内的圆柱体。图3-1（a）创建圆柱体对话框 改变视角方向：Utility MenuPlotCtrlsPan,Zoom,Rotate，弹出移动、缩放和旋转对话框，点击视角方向为“iso”，可以在（1，1，1）方向观察模型，显示的几何模型如图3-1(b)所示，单击“Close”按钮关闭对话框。 图3-1(b

9、) 同轴波导几何模型 2）保存几何模型文件：Utility MenuFileSave as，弹出“Save Database”对话框，如图3-2所示。在“Save Database to”输入栏中输入文件名“Coaxial Cable_geom.db”，单击“OK”按钮。图3-2保存几何模型文件 3）改变坐标系:Utility MenuWork PlaneChange Active CS toGlobal Cylindrical,把当前的活动坐标系由全局笛卡尔坐标系改变为全局柱坐标系。 4）选择Z方向的线：Utility MenuSelectEntities，弹出“Select Enti”对话

10、框，如图3-3所示。在最上边的第一个下拉选择栏中选取“Lines”，在其下的第二个下拉选择栏中选择“By Location”，在下边的单选框中选择“Z coordinates”,在“Min,Max”输入栏中输入“0.372/2”，再在其下的单选框中选择“From Full”，单击“OK”按钮，选中“Z=0.372/2”处的四根线。5）设定所选线上单元个数：Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManual SizeLinesAll Lines，弹出“Element Sizes on All Selected Lines”在线上控制单元尺寸对话框，如图3-

11、4（a）所示。在“No.of element divisions”输入栏输入“15”，单击“OK”按钮。 出现同轴波导几何模型如图3-4（b）所示。 图3-3选择Z方向线对话框 图3-4（a）在线上控制单元尺寸对话框图3-4（b）同轴波导几何模型 6)选择径向线：Utility MenuSelectEntities，弹出“Select Enti”对话框，。在最上边的第一个下拉选择栏中选取“Lines”，在其下的第二个下拉式选择栏中选择“By Location”，在下边的单选框“X coordinates”，在“Min,Max”下面的输入栏中输入“0.05”，再在其下的单选框中选择“FromFu

12、ll”，单击“OK”按钮，选中“X=0.05”处的四根径向线。 7)设定所选线上单元个数：Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManual SizeLinesAll Lines，弹出“Element Sizes on All Selected Lines”在线上控制单元尺寸对话框，如图3-5所示。在“No.of element divisions”输入栏输入“8”，单击“OK”按钮。图3-5在线上控制单元尺寸对话框8）选择弧度方向的曲线：Utility MenuSelectEntities，弹出“Select Enti”对话框，如图3-6所示。在最上边

13、的第一个下拉选择栏中选取“Lines”，在其下的第二个下拉式选择栏中选择“By Location”，在下边的单选框“Y coordinates”，在“Min,Max”下面的输入栏中输入“2.5”，再在其下的单选框中选择“FromFull”，单击“OK”按钮，选中“Y=0.05”处的四根弧度方向曲线。 9)设定所选线上单元个数：Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManual SizeLinesAll Lines，弹出“Element Sizes on All Selected Lines”在线上控制单元尺寸对话框，如图3-7所示。在“No.of ele

14、ment divisions”输入栏输入“1”，单击“OK”按钮。 图3-6选择弧度方向曲线对话框 图3-7 在线上控制单元尺寸对话框 10）映射网格划分：Main MenuPreprocessorMeshingMeshVolumesMapped4 to 6 sided，弹出“Mesh Volumes”体拾取框，拾取图形界面上唯一体或直接单元拾取框上的“Pick All”按钮，对同轴波导几何体进行映射网格划分，获得的有限元模型如图3-8所示。 图3-8 有限元模型图 11）保存网格数据：Utility MenuFileSave as，弹出“Save Database”对话框，如图3-9所示，在

15、“Save Database to”输入栏中输入文件名“Coaxial Cable_mesh.db”，单击“OK”按钮。图3-9保存网格数据对话框 3.3加边界条件和载荷 1）选择面：Utility MenuSelectEntities，弹出“Select Enti”对话框，如图3-10（a）所示，在最上边的第一个下拉选择栏中选取“Areas”，在其下的第二个下拉式选择栏中选择“By Location”，在下边的单选框“X coordinates”，在“Min,Max”下面的输入栏中输入“0.025”，再在其下的单选框中选择“FromFull”，单击“Apply”按钮，选择了X=0.025位置

16、处的曲面。 把“Min,Max”输入栏中的值该为“0.075”，在其下面得单选框中选择“Also Select”,如图3-10（b）所示， 单击“OK”按钮,又选择了X=0.075位置处的曲面。 图3-10（a）选择面对话框1 图3-10（b）选择面对话框2 2）施加电壁边界条件：Main MenuSolutionDefine LoadsApplyElectricBoundaryElectric WallOn Areas,弹出一个面拾取框，如图3-11所示，单击拾取框上的“Pick All”按钮，给所选面施加电壁边界条件。 图3-11面拾取框 3）创建局部坐标系：Utility MenuWor

17、kPlaneLocal Coordinate SystemsCreate Local CSAt Specified Loc,弹出“Create CS at Loca”拾取框1，如图3-12（a）所示，在输入栏输入坐标原点“0，0，0”并回车后的拾取框2，如图3-12（b）所示，单击“OK”按钮，弹出“Creat local CS at Specified Location”对话框，如图3-12（c）所示，在“Ref number of new coord sys” 后面的输入栏输入“11”，在“Type of coordinate system”下拉选择栏中选择“Cylindrical 1”,

18、其他接受默认设置，单击“OK”按钮，在（0，0，0）处创建了一个坐标号为“11”的用户自定义柱坐标系。 图3-12（a）拾取框1 图3-12（b）拾取框2图3-12（c）创建局部坐标系对话框 4）改变坐标系：Utility MenuWorkPlaceChange Active CS toGlobal Cartesian,把当前的活动坐标系由自定义柱坐标系改变为全局笛卡儿坐标系。 5）选择面：Utility MenuSelectEntities,弹出“Select Enti”对话框，如图3-13所示，在最上边的第一个下拉选择栏中选取“Areas”.在其下的第二个下拉选择栏中选择“By Locat

19、ion”,在下边的单选框中选择“Z-coordinates”,在“Min,Max”输入栏中输入“0”，再在其下的单选框中选择“FromFull”,单击“OK”,选择了Z=0位置处的面。图3-13选择面对话框 6）定义波导端口1:Main MenuSolutionDefine LoadsApplyElectricExcitationPortsExterior PortOm Areas,弹出一个面拾取框，如图3-14（a）所示，单击拾取框上的“Pick All”按钮，弹出“Define Exterior Port on Areas”定义波导端口对话框，如图3-14（b）所示。在“Port numb

20、er”输入栏中输入“1”，设置端口号为1，单击“OK”，又弹出“Define PORT options”设置端口选项对话框，如图3-14（c）所示，分别输入以下项： 在“Select Port Type”下拉选择栏中选择“Coaxial”; 在“Local CSYS number”输入栏中输入“11”； 在“Applied BC/Excitation”下拉选择栏中选择“Hard source”; 在“Inner radius or width”输入栏中输入“0.025”； 在“Outer radius or height”输入栏中输入“0.075”； 在“Field Amplitude”输入栏

21、中输入“1”。单击“OK”按钮，设置1号波导端口的端口选项。 图3-14（a）面拾取框 图3-14（b）波导端口对话框 图3-14（c）设置端口选项对话框 7）选择面：Utility MenuSelectEntities,弹出“Select Enti”对话框，如图3-15所示，在最上边的第一个下拉选择栏中选取“Areas”，在“Min,Max”输入栏中输入“0.375”，再在其下的单选框中选择“FromFull”,单击“OK”,选择了Z=0.375位置处的面。图3-15选择面对话框 8）定义波导端口2：Main MenuSolutionDefine LoadsApplyElectricExci

22、tationPortsExterior PortOm Areas,弹出一个面拾取框，单击拾取框上的“Pick All”按钮，弹出“Define Exterior Port on Areas”定义波导端口对话框，如图3-16（a）所示，在“Port number”输入栏中输入“2”，设置端口号为2，单击“OK”，又弹出“Define PORT options”设置端口选项对话框，如图3-16（b）所示，分别输入以下项： 在“Select Port Type”下拉选择栏中选择“Coaxial”; 在“Local CSYS number”输入栏中输入“11”； 在“Applied BC/Excita

23、tion”下拉选择栏中选择“Impedence”; 在“Inner radius or width”输入栏中输入“0.025”； 在“Outer radius or height”输入栏中输入“0.075”； 在“Field Amplitude”输入栏中输入“0”。单击“OK”按钮，设置1号波导端口的端口选项。图3-16（a）定义波导端口对话框图3-16（b）设置端口选项对话框9)选择所有的实体：Utility MenuSelectEverything。 3.4求解1)选择分析类型：Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis,弹出“New Analys

24、is”选择分析类型对话框，如图3-17所示，在单选框中选“Harmonic”,单击“OK”,设置谐波分析。图3-17选择分析类型对话框2)设置激励电压频率：Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/frequencFreq and Substps,弹出“Harmonic Frequency and Substep Options”设置激励电压频率的对话框，如图3-18所示，在“Harmonic freq range”后面的第一个输入栏中输入“8e8”，单击“OK”按钮。图3-18设置激励电压频率的对话框3）求解运算：Main MenuSolutionSolveCu

25、rrent LS,弹出一个对话框和一个信息窗口，如图3-19（a）所示，单击对话框上的“OK”按钮，开始求解运算，直到出现“Solution is done”的提示栏，如图3-19（b）所示，表示求解结束。图3-19（a）对话框和信息窗口图3-19（b）求解结束4）保存计算结果到文件：Utility MenuFileSave as,弹出“Save Database”对话框，如图3-20所示，在“Save Database to”输入栏中输入文件名“Coaxial Cable_resu.db”,单击“OK”按钮。图3-20保存计算结果 3.5查看结算结果1）计算散射参数：Main MenuGen

26、eral PostprocElec&Mag CalcPortS-Parameters,弹出“Calculate S-Parmeters”计算S参数对话框，显示 “2”，单击“OK”按钮，弹出一个信息窗口，信息窗口里显示了S参数和它们相应的值，如下所示：Load step number:1Frequency:0.8GHzMagnitude of S 1 1=7.305868422E-06(-102.726563 db)Phase Angle of s 1 1=-130.0864(degree)Magnitude of S 2 1=1.00680768(5.893035926E-02 db) Ph

27、ase Angle of s 2 1=-0.232669111(degree)查看记录完毕，确认无误后，关闭信息窗口。2）读入结果数据：Main MenuGeneral PostprocRead ResultsBy Load Step,弹出“Read Results by Load Step Number”接载荷步读入结果数据对话框，在“Load step number”输入栏中输入“1”，在“Substep number”输入栏中输入“1”，其他接受默认设置，单击“OK”按钮。3）显示磁场强度矢量图：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsVector Pl

28、otPredefined,弹出“Vector Plot of Predefined Vector”显示预定义矢量对话框，。在“Vector item to be plotted”后面的左边列表栏中选择“Flux&Gradient”,在右边列表栏中选择“Mag fiele H”,在“Vector or raster display”后面的单选框中选择“Elem Nodes”,单击“OK”按钮，绘出同轴波导中的磁场矢量图，如图3-21所示图3-21同轴波导中的磁场矢量图4)显示电场强度矢量图：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsVector PlotPrede

29、fined,弹出“Vector Plot of Predefined Vectors”显示预定义矢量对话框，在“Vector item to be plotted”后面的左边列表栏中选择“Flux&Gradient”,在右边列表栏中选择“Elec fielde EF”,在“Vector oror raster display”后面的单选框中选择“Vector Mode”,在“Vector location for results”后面的单选框中选择“Elem Nodes”,单击“OK”按钮，绘出同轴波导中的电场矢量图，如图3-22所示。图3-22同轴波导中的电场矢量图5)改变坐标系：Utili

30、ty MenuWorkPlaneChange Active CS toGlobal Cylindrical,把当前的活动坐标系由全局笛卡儿坐标系改变为全局柱坐标系。6）取出指定位置处的节点号：Utility MenuParametersScalar Parameters,弹出“Scalar Parameters”对话框，在“Selection”输入行分别输入：（0.025，0，0.375）（0.075，0，0.375）（0.075，5，0.375）并分别单击“Accept”,输入完后，单击“Close”,关闭“Scalar Parameters”对话框。这样就取出了在图1中标记了“nbi”、“

31、nbo”和“nba”处的节点号，其结果如图3-23所示。图3-23结果图7）定义用于EMF（电压降）计算的路径：Main MenuGeneral PostprocPath OperationsDefine PathBy Nodes,弹出一个节点拾取框，在拾取框的输入栏中分别输入“nbi”和“nbo”并回车，单击“OK”按钮，弹出“By Nodes”对话框，在“Define Path Name”输入栏中输入“VLTG”,其他接受默认设置，单击“OK”按钮，弹出一个信息窗口，查看后关闭信息窗口，这样就定义了一条在节点nbi和节点nbo之间的名为VLTG的路径。8）定义用于MMF(电流)计算的路径：

32、 Main MenuGeneral PostprocPath OperationsDefine PathBy Nodes,弹出一个节点拾取框，在拾取框的输入栏中分别输入“nbo”和“nba”并回车，单击“OK”按钮，弹出“By Nodes”对话框，在“Define Path Name”后面的输入栏中输入“CURR”,其他接受默认设置，单击“OK”按钮，弹出一个信息窗口，查看后关闭信息窗口，这样就定义了一条在节点nbo和节点nba之间的名为CURR的路径。9)计算阻抗：Main MenuGeneral PostprocElec&Mag CalcPath BasedImpedance,弹出“Cal

33、culate Impedance”计算阻抗对话框，在“Voltage drop path name”后面的列表框中选择“VLTG”,在“Current calc path name”后面的列表框中选择“CURR”,在“Voltage symmetry factor”输入栏中输入“1”，在“Current symmetry factor”输入栏中输入“72”，单击“OK”按钮，弹出一个信息窗口，在信息窗口中列出了阻抗计算结果，如下所示：Load step number:1Frequency:0.8GHzZre=65.1950713Zim=-0.1560345查看记录完毕，确认无误后，关闭信息窗口

34、。10)计算反射系数：Main MenuGeneral PostprocElec&Mag CalcRefl Codff,弹出“Calculate Reflection Coefficients”计算反射系数对话框，分别输入以下项：在“Input port number”输入栏中输入“1”；在“Input port voltage”输入栏中输入“1”；在“Voltage phase angle”输入栏中输入“0”；在“Propagation distance”输入栏中输入“0.375”；在“Propagation path name”列表框中选择“VLTG”。单击“OK”按钮，弹出一个信息窗口，

35、在信息窗口中列出了反射系数计算结果，如下所示：Load step number:1Frequency:0.8GHzVoltage reflection coefficient (REFLC):4.117736461E-03Phase angle(REFANG):-80.6962093 DegVoltage standing wave ratio(VSWR):1.00826952Return loss(RL):47.706829查看记录完毕，确认无误后，关闭信息窗口。11)退出ANSYS:单击工具条上的“Quit”, “Exit from ANSYS”对话框，选取“QuitNo Save!”,单击“OK”按钮，退出ANSYS软件。4.结论本例用ansys软件分析了同轴波导的谐波磁场，介绍了ansys软件进行场分析的步骤，实现了场的散射参数的计算，磁场和电场强度的矢量图显示，同时完成了阻抗和反射系数的计算。对于电磁场仿真来说，有限元分析方法是在当前工程实践中运用相当成功的频域分析计算方法的一种，它可以计算任意复杂结构和任意复杂材料的问题。它处理复杂材料的能力在当前各种电磁仿真方法中尤为突出，因为在工程实际中，往往还需要对非金属材料进行仿真。本文通过同轴波导这个实例介绍了有限元法进行谐波磁场分析的基本过程，用ANSYS软件可以很方便地得到一些谐波磁场的分析结果，而且该方法简单易学。20