T型波导的内场分析和优化设计.docx

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T型波导的内场分析和优化设计

T型波导的内场分析和优化设计

目录

摘要3

一、前言..3

二、报告正文3

2.1模型整体设计流程4

2.2求解方式的选择4

2.3模型的建立5

2.4分析求解设置6

2.4.1添加求解设置6

2.4.2添加扫频设置6

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。