设计题目：采用电磁仿真软件HFSS数值仿真同轴连接器及其电磁场性能分析 学 院： 电子工程学院
专 业： 电子信息工程
班 级： 0212XX
学 号： 0212XXXX
姓 名： XXX
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日 期： 2016年01月
成 绩：
指导教师： 李 X
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西 安 电 子 科 技 大 学
电 子 工 程 学 院
课 程 设 计 任 务 书
学生姓名 指导教师 职称
学生学号 0212 专业 电子信息工程
题目 采用电磁仿真软件HFSS数值仿真同轴连接器及其电磁场性能分析
任务与要求
根据《电磁场与电磁波》和《微波技术基础》课程的理论学习，通过学习电磁仿真软件Ansys HFSS，掌握其基本原理和使用方法，并采用HFSS数值仿真——同轴连接器，分析其输入阻抗特性、网络参数特性、同轴线内部场分布和电流分布等传输线参数，以巩固所学习的电磁场传输问题。 要求： （1）学习Ansys HFSS全波电磁仿真软件； （2）掌握HFSS的使用方法，并能准确地进行数值仿真计算； （3）全波仿真同轴连接器，给出全波仿真同轴连接器的网络散射参数随频率的变化特性，同轴连接器中的电磁场分布图以及各端口的场特性。 |
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开始日期 2016年 01月 06 日 完成日期 2016年 01月20 日
课程设计所在单位 电子工程学院
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采用HFSS数值仿真同轴连接器及其电磁场性能分析
XXX
（西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071）
摘要：本文首先简要介绍了同轴线及同轴连接器的概念，并利用HFSS电磁仿真软件对同轴弯头连接器进行了仿真，给出了同轴连接器的网络散射参数随频率的变化特性，同轴连接器中的电磁场分布图以及各端口的电磁场特性。通过HFSS仿真软件将抽象的电磁场概念具体化，有助于对微波课程的进一步理解。
关键词：同轴连接器；HFSS软件；网络散射参数；电磁场分布
一、 同轴连接器的基本理论
1.1 同轴线的基本概念
同轴线(coaxial line)是由同轴的内、外导体构成的双导体传输线，也称同轴波导，广泛应用于宽频带馈线、宽带元件的设计。同轴线以TEM模为主要工作方式，但当同轴线的横向尺寸与工作波长可比拟时，同轴线中将出现TE和TM模，即同轴线的高次模。 同轴线中TEM波的场结构如图1所示，其中实线表示电场，虚线表示磁场，传输方向上没有电场、磁场分量。
图1 同轴线中TEM波的场结构图
同轴线的尺寸选择原则为：保证在工作频段内只传输TEM波；使同轴线功率容量最大；损
耗尽可能小。功率容量最大时，若填充的是空气介质，特性阻抗为30Ω；损耗最小时，对应特性阻抗为76.7Ω.传输功率容量最大和衰减最小不能同时满足，为了两者兼顾一般采取折衷尺寸，则对应同轴线的特性阻抗为50Ω。
同轴线主要分为硬同轴线与软同轴线，硬同轴线内外导体之间的介质为空气，内导体用高频介质垫圈等支撑；软同轴线又称为同轴电缆，电缆的内外导体之间填充高频介质，内导体由单根或多根导体组成，外导体由铜线编织而成，外层再包一层软塑料等介质。
1.2 同轴连接器的概念及分类
将同轴线连接成系统的接头称为同轴连接器。每一种同轴接头又分为公头（插头）和母头(插座)，它们相互配合将同轴元件连接起来。对于同轴连接器的要求包括低SWR、高频下没有高阶模工作、在连接-拆开反复操作之后的高重复性以及机械强度。
同轴接头类型众多，不同类型接头大致工作频率如图2所示。以下对图2中几种同轴接头作简要介绍：
N型：这种接头发明于1942年并以其发明者、贝尔实验室的P.Neil命名。推荐的频率上限范
围为11-18GHz，具体取决于同轴线的尺寸大小。这种结实但较大的接头常见于较老的设备中。
BNC：是一种卡口式连接的射频同轴连接器，其特性阻抗分为50Ω和75Ω两种。它具有连接（分离）迅速、接触可靠等特点。广泛应用于计算机行业、无线网络、医疗设备和电子仪器领域。
TNC：这是BNC接头带螺纹连接的一类。
SMA：对较小、较轻的街头的需求，导致了20世纪60年代这种接头的发展。它可以应用频率高至18-25GHz的范围，是当今应用范围最广的微波连接器。
图2 同轴接口工作频率表
由于同轴线中有软同轴线，故不再需要如波导一样制作专门的弯波导、扭波导等，软同轴线即可胜任这些功能。在少数情况下也有使用同轴弯头的情况，如图3所示为一同轴弯头连接器。后文将以同轴弯头连接器为例，利用HFSS仿真软件对其进行仿真并分析其电磁特性。
图3 同轴弯头连接器
二、 Ansys HFSS电磁仿真软件简介
HFSS-High Frequency Structure Simulator是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,目前已被ANSYS公司收购;是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电
磁场设计和分析的工业标准。
HFSS提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算：① 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；② 端口特征阻抗和传输常数；③ S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；④ 结构的本征模或谐振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。
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