T型波导的内场分析和优化设计.docx

1、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 32.1模型整体设计流程 42.2求解方式的选择 42.3模型的建立 52.4分析求解设置 62.4.1添加求解设置 62.4.2添加扫频设置 62.4.3图形化显示 62.4.4表面电场分布 72.4.5结果显示 82.5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810GHZ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10GH

2、Z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

3、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ET形分支、HT形分支和匹配双T。 ET形分支 HT形分支ET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，ET分支的结构总是作成对称的，主波导的两臂长相等。主波导两臂端口为和，分支臂端口为。当TE10模从端口输入时，和两端口输出等幅反相波。当TE10模从和端口等幅同相输入时，端口无输出，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模从和端口等幅反相输入时，端口有最大输出，对称面为电场波节位置。HT形分支是在主波导窄边面上

4、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模从端口输入，和的两端口输出等幅同相波；信号以TE10模从端口和等幅同相输入，端口有最大输出，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模从端口和等幅反相输入，端口无输出，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810GHz 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

5、，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

6、，选择求解类型：【HFSS】【 Solution Type】，选中Driven Modal 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】【Modeler Options】，选择 Drawing 选项卡，确认选中 Edit Properties of new primitives；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

7、于 yz 面的平面，选择【Assign Excitation】 【Wave Port】，在 Name 项输入端口名称 Port1；在新窗口中打开 Integration Line 下方的下拉列表框，选择 New Line 选项， 设置端口的积分校准线，选中New Line 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】 【HFSS Options】，选择 General，

8、选中 Duplicate boundaries with geometry 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】【Around Axis】，打开 Duplicate Around Axis 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，Total number 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】【Modeler Options】，打开 3D Modeler Opti

9、ons 对话框，选择 Operation 选项卡，确认Clone tool objects before unite 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【3D Modeler】【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（Project Manager）中，展开TeeModal

10、 设计，选中Analysis 节点，单击右键，在弹出的快捷菜单中单击【Add Solution Setup】，打开求解设置对话框。在该对话框中，Solution Frequency 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【Add Frequency Sweep】，打开、Edit Sweep 对话框。 在该对话框中，Sweep Type 项

11、选择Interpolating，Frequency Setup 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Edit Sweep 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，TypeLinearSetupStart8GHzStop10GHzStep Size0.01GHz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】【Analyze All】，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【Create Modal Solution Data Report】【Rect

12、angular Plot】，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】【Plot Fields】【E】【Mag_E】，打开Create Filed Plot 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。12.4.5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

13、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

14、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。