T型波导的内场分析和优化设计Word文件下载.docx
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2.4.3图形化显示6
2.4.4表面电场分布7
2.4.5结果显示8
2.5模型优化的设计8
三、结论10
四、主要参考文献10
摘要
本次三级项目的主要内容是T形波导的内场分析和优化设计。
主要分析了HT分支波导和双T分支波导。
利用HFSS软件设计出T形波导,观察在8~10GHZ的工作频段内,波导三个端口的S参数随频率变化的关系曲线,同时观察在10GHZ时波导表面的电场分布。
之后利用HFSS的参数扫描分析功能和优化设计功能,分析在10GHZ处波导三个端口随着隔片位置变量Offset变化的关系曲线;
,分析找出端口3的输出功率是端口2的输出功率的2倍时隔片所在位置。
一、前言
在信息高速公路和知识经济出现的情况下,研究各种形状的电磁波导是必要的,根据波导管截面形状的不同,可以将波导分为矩形波导、圆形波导等。
而在微波系统尤其是波导系统中,元件的接入必须由分支元件来实现。
普通波导分支是三端口微波元件,形如字母‘T’,因此又称T形接头。
而矩形截面波导的分支主要有ET分支、HT分支和匹配双T分支。
本次三级项目再此基础上进行对T形波导的内场分析和优化设计,加深对T形波导认识与了解。
二、报告正文
T形波导是形如字母“T”的矩形截面金属波导的分支,可以将微波能量从主波导中分路接出的波导分支器,分为E—T形分支、H—T形分支和匹配双T。
E—T形分支H—T形分支
E—T形分支波导延伸方向与主波导中TE10模的电场平面平行。
为了使用方便,E—T分支的结构总是作成对称的,主波导的两臂长相等。
主波导两臂端口为①和②,分支臂端口为③。
当TE10模从端口③输入时,①和②两端口输出等幅反相波。
当TE10模从①和②端口等幅同相输入时,端口③无输出,主波导内呈驻波场,引出分支的对称平面为电场的波腹位置。
当TE10模从①和②端口等幅反相输入时,端口③有最大输出,对称面为电场波节位置。
H—T形分支是在主波导窄边面上的分支,其轴线平行于主波导TE10模的磁场方向,相当于并联于主波导的分支线。
信号以TE10模从端口④输入,①和②的两端口输出等幅同相波;
信号以TE10模从端口①和②等幅同相输入,端口④有最大输出,主波导中呈现驻波,主波导引出分支的对称面处为电场驻波波腹;
信号以TE10模从端口①和②等幅反相输入,端口④无输出,对称面处为电场驻波的波节。
2.1模型整体设计流程
利用HFSS软件设计一个带有隔片的T形波导,当隔片位于波导的正中央时,在8~10GHz的工作频段内,波导3个端口的S参数随着频率变化的关系曲线,同时分析查看在10GHz时波导表面的电场分布。
然后利用HFSS的参数扫描分析功能分析在10GHz处,波导3个端口的S参数随着隔片位置变量Offset变化的关系曲线,并使用HFSS的优化设计功能,求解出当端口3的输出功率是端口2的输出功率的两倍时隔片所在的位置。
2.2求解方式的选择
本次项目主要利用HFSS软件中Optimetrics模块的参数扫描和优化设计功能对T形波导的隔片位置进行参数扫描分析和设计优化。
参数扫描分析的目的是:
在工作频率10GHz时,查看T形波导3个端口的能量随着隔片位置变量Offset的变化曲线;
优化设计的目标是:
在工作频率为10GHz时,求解出隔片的准确位置,使端口3的输出功率是端口2输出功率的两倍。
2.3模型的建立
运行HFSS并新建工程,选择求解类型:
【HFSS】→【SolutionType】,选中DrivenModal单选按钮。
设置长度单位:
主菜单栏选择【Modeler】→【Units】,选择英寸单位。
创建长方体:
【Tools】→【Options】→【ModelerOptions】,选择Drawing选项卡,确认选中EditPropertiesofnewprimitives;
主菜单栏选择【Draw】→【Box】,输入长方体的起始点坐标为(0,0.45,0),确认后,再输入长方体的长、宽、高分别为2、0.9、0.4,确认后设置属性。
设置波端口激励:
切换到面选择状态,选中长方体上位于x=2处平行于yz面的平面,选择【AssignExcitation】→【WavePort】,在Name项输入端口名称Port1;
在新窗口中打开IntegrationLine下方的下拉列表框,选择NewLine选项,设置端口的积分校准线,选中NewLine后,进入端口积分线绘制状态。
此时移动鼠标光标到坐标(2,0,0)处,单击鼠标,确定积分线的起始点;
然后再移动鼠标光标到(2,0,0.4)处,单击鼠标,确定积分线的终止点,完成积分线设置。
复制长方体创建T形波导的第二个和第三个臂:
选择【Tools】→【Options】→【HFSSOptions】,选择General,选中Duplicateboundarieswithgeometry复选框,复制长方体创建T形波导的第二个臂。
展开操作历史树,选择新建的长方体,选择【Edit】→【Duplicate】→【AroundAxis】,打开DuplicateAroundAxis对话框,进行复制物体的操作。
对话框中的Axis项选择Z,Angle项输入90deg,Totalnumber项输入2,复制生成一个与z轴成90°
夹角的长方体。
同样的方法创建第三个臂。
合并长方体:
主菜单栏选择【Tools】→【Options】→【ModelerOptions】,打开3DModelerOptions对话框,选择Operation选项卡,确认Clonetoolobjectsbeforeunite复选框未被选中。
切换到物体选择状态,选中3个长方体,从主菜单栏选择【3DModeler】→【Boolean】→【Unite】命令执行合并操作,将3个长方体合并生成一个T形物体模型。
创建隔片:
设置起始点位置为0.45in,Offset-0.05in,0in,长宽高尺寸为.45、0.1和0.4的长方体。
相减操作完成后,创建的完整的T形波导模型。
2.4分析求解设置
2.4.1添加求解设置
在工作界面左侧的工程管理窗口(ProjectManager)中,展开TeeModal设计,选中Analysis节点,单击右键,在弹出的快捷菜单中单击【AddSolutionSetup…】,打开求解设置对话框。
在该对话框中,SolutionFrequency项输入10,默认单位为GHz,其他项都保持默认设置不变,单击确定按钮结束。
此时,就在工程管理窗口Analysis节点下添加了一个名称为Setup1的求解设置项。
2.4.2添加扫频设置
在工程管理窗口中,展开Analysis节点,右键单击前面添加的Setup1求解设置项,在弹出菜单中单击【AddFrequencySweep…】,打开、EditSweep对话框。
在该对话框中,SweepType项选择Interpolating,FrequencySetup项作如下表所示的设置。
其他项保持默认设置不变,然后单击EditSweep对话框的OK按钮完成扫频设置,此时即在Setup1节点下添加了一个名称为Sweep1的扫频设置项,
Type
LinearSetup
Start
8GHz
Stop
10GHz
StepSize
0.01GHz
利用设计检查验证窗口,检验设计的完整性和正确性。
从主菜单栏选择【HFSS】→【AnalyzeAll】,运行仿真分析。
2.4.3图形化显示S参数计算结果
单击result项,选择【CreateModalSolutionDataReport】→【RectangularPlot】,绘制出S11、S12、S13幅度随频率变化的曲线。
2.4.4表面电场分布
选择【HFSS】→【Fields】→【PlotFields】→【E】→【Mag_E】,打开CreateFiledPlot对话框,对话框所有设置保持默认不变,单击按钮,此时在选中的T形波导上表面会显示出场分布情况。
[1]
2.4.5结果显示
H-T分支S参数幅度随频率变化H-T波导表面电场分布图
双T分支模型S参数幅度随频率变化曲线1、2侧臂等幅同相输
E臂输入H臂输入
双T分支规律总结:
信号从E臂输入时,H臂无输出,端口1、2输出等幅反相位波;
信号从H臂输入时,E臂无输出,端口1、2输出等幅同相位波;
从1、2侧臂输入等幅同相信号时,H臂有输出,E臂无输出。
2.5模型优化的设计
利用参数扫描分析功能,分析在工作频率为10GHz时,T形波导3个端口的信号能量大小随隔片位置变量Offset的变化关系;
利用HFSS的优化设计功能,找出隔片的准确位置,使得在10GHZ工作频点,T形波导端口3的输出功率是端口2输出功率的2倍.
当变量Offset值逐渐变大,即隔片位置向端口2移动时,端口2的输出功率逐渐减小,端口3的输出功率逐渐变大;
当隔片位置变量Offset超过0.3英寸时,端口1的反射明显增加,端口3的输出功率开始减小。
因此在后面的优化设计中,可以设置变量Offset优化范围的最大值为0.3英寸。
同时在变量Offset=0.1英寸时,端口3的输出功率约为0.65,端口2的输出功率略大于0.3,此处端口3的输出功率约为端口2输出功率的2倍。
优化结果:
由上图可以看出,当变量Offset=0.095英寸时,目标函数(Cost)小于设定的目标值0.0001,达到优化目标,即当变量Offset=0.095英寸时,T形波导端口3的输出功率是端口2的两倍。
双T分支表面分布图
优化后T形波导端口3的输出功率是端口2的两倍。
三、结论
通过这次三级项目,我们加深了对波导的理解,对T形波导有了充分的认识,学习了如何使用HFSS软件进行模拟仿真,在项目制作过程中,我们首先遇到的一个大难题就是软件装不上,一番辛苦之后终于解决了这个问题,而在使用过程中,因为有老师给的入门参考资料,进行得还是比较顺利。
在分析参数与曲线的过程中,本来不熟悉的地方,经过翻书与查找资料,理论与实践相结合,也逐步变得熟悉了解,不再只拘泥于表面,而是抓住问题的本质。
学习态度也有了一定的改变,就是对待问题不仅要知其然,更要知其所以然。
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- 波导 内场 分析 优化 设计
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