Koaxial-Hohlleiterübergang HFSS Feldsimulation

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Liese Reuter
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1 Koaxial-Hohlleiterübergang HFSS Feldsimulation FH Aachen Mikrowellentechnik Christoph Schopp Raschid Tamrzadeh

2 Aufgabenstellung Ziel dieser Simulation ist es die Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes insbesondere der H10-Welle an einem Koax-Hohlleiterübergang möglichst anschaulich darzustellen. Hierfür wird die Feldsimulationssoftware HFSS der Firma Ansoft verwendet. Sie bietet sämtliche notwendigen Features um das Modell aufzubauen, parametrisieren und simulieren. Theorie Damit ein Hohlleiter für eine elektromagnetische Welle leitfähig wird, müssen seine Ausmaße passend zur Wellenlänge gewählt werden. Denn nur Wellen, deren Frequenz eine minimale Grenzfrequenz (die sog. Cut-Off-Frequenz) überschreitet, sind im Hohlleiter ausbreitungsfähig. Für den hier simulierten Rechteckhohlleiter hängt die Cut-Off-Frequenz von der Breite des Hohlleiters wie folgt ab: Ab dieser Frequenz kann sich der H10-Mode ausbreiten, ab der doppelten Cut-Off-Frequenz werden weitere Moden ausbreitungsfähig (Abb. 1). Unterhalb der Cut-Off-Frequenz gibt es keine Ausbreitung durch den Hohlleiter, sondern eine Energiespeicherung nahe dem Eingangsport. Auch dieses Verhalten konnte simuliert werden. Abb. 1: Ausbreitungsfähige Moden im Rechteckhohlleiter

Modellerstellung Der Ausgangspunkt für die Auswahl der Modellmaße war eine Ausbreitungsfrequenz f von ca. 2,4 GHz mit einer Wellenlänge von λ =125 mm.

3 Modellerstellung Der Ausgangspunkt für die Auswahl der Modellmaße war eine Ausbreitungsfrequenz f von ca. 2,4 GHz mit einer Wellenlänge von λ =125 mm. Somit ergibt sich eine Hohlleiterbreite von λ/2 = 62,5 mm. Abb. 2: Topologie mit automatisch generiertem Mesh für die Simulation Abbildung 1 zeigt das mit HFSS konstruierte 3D-Modell des Überganges. Als zusätzliche Information wurde das von der Software generierte Mesh eingeblendet. Dies zeigt eine höhere Auflösung des Gitters innerhalb des Koaxialkabels und eine relativ gleichmäßige Verteilung innerhalb des Hohlleiters. Für die Konstruktion des 3D-Modelles wurden aus der oben genannten Frequenz folgende Dimensionen festgelegt: Hohlleiter B x H x T: 62,5 mm x 31,25 mm x 1000 mm Koaxialleiter Innendurchmesser: 3,0 mm Außendurchmesser: 7,0 mm Eindringtiefe in Hohlleiter: 15,625 mm Als Materialen wurden Vacuum und Perfect Conductor gewählt. Damit der innere Aufbau besser sichtbar ist, wurde Perfect Conductor als Umgebungsmaterial festgelegt. Die Zielsetzung für diese Ausarbeitung ist die prinzipielle Visualisierung eines Koaxial-Hohlleiter Überganges. Aufgrund dessen ist der Fokus nicht auf die Anpassung am Eingang gelegt worden. Dies wird

durch die Einfachheit des Modells auch nicht möglich. Trotzdem wird bei 2,45GHz eine Reflektion S11 von etwa -8 db erreicht (s. Abb. 2). Ansoft Corporation 0.00-1.

4 durch die Einfachheit des Modells auch nicht möglich. Trotzdem wird bei 2,45GHz eine Reflektion S11 von etwa -8 db erreicht (s. Abb. 2). Ansoft Corporation Active S Parameter Quick Report HFSSDesign1 Curve Info db(actives(hohlleiterausgang:1)) Setup1 : Sw eep1 db(actives(koaxport:1)) Setup1 : Sw eep Y Freq [GHz] Abb. 3: Streuparameter S11 am Koaxialport Nach den ersten Simulationen wurde ersichtlich, dass der Arbeitspunkt für die Visualisierung bei einer Frequenz von 2.45 GHz gewählt werden muss, da hier die beste Anpassung für das erstellte Modell zu finden ist. Simulationsergebnisse Im Folgenden werden die Simulationsergebnisse anhand von Screenshots gezeigt, die aus HFSS erzeugt wurden. Abb. 4: 3D-Ansicht der H10-Welle als Betrag der elektrischen Feldstärke

In Abbildung 3 ist der Betrag der elektrischen Feldstärke aufgezeichnet. Es ist gut zu erkennen, dass die Ausbreitung der H10-Welle im Hohlleiter stattfindet.

Mit Hilfe einer Animation wurde ersichtlich, dass sich die Wellen innerhalb des Hohlleiters mit der gleichen Gruppengeschwindigkeit ausbreiten, so dass ein periodisches Auftreten von Wellenbergen und

5 In Abbildung 3 ist der Betrag der elektrischen Feldstärke aufgezeichnet. Es ist gut zu erkennen, dass die Ausbreitung der H10-Welle im Hohlleiter stattfindet. Desweiteren ist die periodische Verteilung zu erkennen. Mit Hilfe einer Animation wurde ersichtlich, dass sich die Wellen innerhalb des Hohlleiters mit der gleichen Gruppengeschwindigkeit ausbreiten, so dass ein periodisches Auftreten von Wellenbergen und tälern zu beobachten war. Eine genauere Ansicht des Betrages der elektrischen Feldstärke direkt am Übergang ist in Abbildung 5 zu sehen. Abb. 5: Elektrische Feldstärke am Koaxial-Hohlleiter-Übergang Um die Verteilung des Feldes innerhalb des Hohlleiters besser erkennen zu können, wurde ein Schnitt durch die xz und yz Ebenen vorgenommen und diese durch die Mitte des Koaxialleiters gelegt. Mit Hilfe dieser Ebenenschnitte kann der Betrag des elektrischen Feldes noch besser verdeutlicht werden. In Abbildung 6 sieht man diese beiden Schnitte. Abb. 6: Elektrische Feldstärke am Koaxial-Hohlleiter-Übergang im Längs- und Querschnitt

6 Wie bereits erwähnt, zeigten die Simulationen eine periodische Ausbreitung der H10-Welle innerhalb des Hohlleiters. Dies ist der Fall, wenn die Dimensionen des Modells auf die H10-Welle angepasst sind. Für den Fall, dass sich die simulierte Frequenz unterhalb der sogenannten Cut-Off- Frequenz befindet, findet keine Ausbreitung im Hohlleiter statt. Stattdessen wird die eingespeiste Energie innerhalb des Hohlleiters gespeichert. Um diesen Effekt zu simulieren, wurde eine Frequenz unterhalb der bei der Dimensionierung des Überganges angestrebten 2.4 GHz gewählt. Nach eine paar Testläufen wurde hierzu 2.39 GHz gewählt, da hier der visuelle Effekt die Speicherung der Energie gut zeigt. Abb. 7: Energiespeicherung für eine Welle unterhalb der Cut-Off-Frequenz bei 2,39 GHz Mit Hilfe von Abbildung 7 zeigt sich, dass es zwar eine Ausbreitung der Energie innerhalb des Hohlleiters gibt, aber diese nicht aus dem Hohlleiter herauslaufen. Desweiteren ist keine periodische Ausbreitung der Welle zu erkennen, wie es beim H10-Mode der Fall war. Diese Abbildung wurde wiederum animiert und durch diese Animation wurde ein periodischer Aufbau der Energie innerhalb des Hohlleiters sichtbar, der gleich der Periode der Welle war, die über den Koaxialleiter einlief.

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