T型波導(dǎo)的內(nèi)場(chǎng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、t型波導(dǎo)的內(nèi)場(chǎng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)目 錄摘 要3一、前言.3二、報(bào)告正文32.1模型整體設(shè)計(jì)流程42.2求解方式的選擇42.3模型的建立52.4分析求解設(shè)置62.4.1添加求解設(shè)置62.4.2添加掃頻設(shè)置62.4.3圖形化顯示62.4.4表面電場(chǎng)分布72.4.5結(jié)果顯示82.5模型優(yōu)化的設(shè)計(jì)8三、結(jié)論10四、主要參考文獻(xiàn)10摘 要本次三級(jí)項(xiàng)目的主要內(nèi)容是t形波導(dǎo)的內(nèi)場(chǎng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要分析了ht分支波導(dǎo)和雙t分支波導(dǎo)。利用hfss軟件設(shè)計(jì)出t形波導(dǎo)，觀察在810ghz的工作頻段內(nèi)，波導(dǎo)三個(gè)端口的s參數(shù)隨頻率變化的關(guān)系曲線，同時(shí)觀察在10ghz時(shí)波導(dǎo)表面的電場(chǎng)分布。之后利用hfss的參數(shù)掃描分析功能

2、和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，分析在10ghz處波導(dǎo)三個(gè)端口隨著隔片位置變量offset變化的關(guān)系曲線；，分析找出端口3的輸出功率是端口2的輸出功率的2倍時(shí)隔片所在位置。一、前言在信息高速公路和知識(shí)經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)的情況下，研究各種形狀的電磁波導(dǎo)是必要的，根據(jù)波導(dǎo)管截面形狀的不同，可以將波導(dǎo)分為矩形波導(dǎo)、圓形波導(dǎo)等。而在微波系統(tǒng)尤其是波導(dǎo)系統(tǒng)中，元件的接入必須由分支元件來實(shí)現(xiàn)。普通波導(dǎo)分支是三端口微波元件，形如字母t，因此又稱t形接頭。而矩形截面波導(dǎo)的分支主要有et分支、ht分支和匹配雙t分支。本次三級(jí)項(xiàng)目再此基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)t形波導(dǎo)的內(nèi)場(chǎng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，加深對(duì)t形波導(dǎo)認(rèn)識(shí)與了解。二、報(bào)告正文t形波導(dǎo)是形如字母“t”的

3、矩形截面金屬波導(dǎo)的分支，可以將微波能量從主波導(dǎo)中分路接出的波導(dǎo)分支器，分為et形分支、ht形分支和匹配雙t。 et形分支 ht形分支et形分支波導(dǎo)延伸方向與主波導(dǎo)中te10模的電場(chǎng)平面平行。為了使用方便，et分支的結(jié)構(gòu)總是作成對(duì)稱的，主波導(dǎo)的兩臂長相等。主波導(dǎo)兩臂端口為和，分支臂端口為。當(dāng)te10模從端口輸入時(shí)，和兩端口輸出等幅反相波。當(dāng)te10模從和端口等幅同相輸入時(shí)，端口無輸出，主波導(dǎo)內(nèi)呈駐波場(chǎng)，引出分支的對(duì)稱平面為電場(chǎng)的波腹位置。當(dāng)te10模從和端口等幅反相輸入時(shí)，端口有最大輸出，對(duì)稱面為電場(chǎng)波節(jié)位置。ht形分支是在主波導(dǎo)窄邊面上的分支, 其軸線平行于主波導(dǎo)te10模的磁場(chǎng)方向，相當(dāng)于并

4、聯(lián)于主波導(dǎo)的分支線。信號(hào)以te10模從端口輸入，和的兩端口輸出等幅同相波；信號(hào)以te10模從端口和等幅同相輸入，端口有最大輸出，主波導(dǎo)中呈現(xiàn)駐波，主波導(dǎo)引出分支的對(duì)稱面處為電場(chǎng)駐波波腹；信號(hào)以te10模從端口和等幅反相輸入，端口無輸出，對(duì)稱面處為電場(chǎng)駐波的波節(jié)。2.1模型整體設(shè)計(jì)流程利用hfss軟件設(shè)計(jì)一個(gè)帶有隔片的t形波導(dǎo)，當(dāng)隔片位于波導(dǎo)的正中央 時(shí)，在810ghz 的工作頻段內(nèi)，波導(dǎo) 3 個(gè)端口的s 參數(shù)隨著頻率變化的關(guān)系曲線，同時(shí)分 析查看在10ghz 時(shí)波導(dǎo)表面的電場(chǎng)分布。然后利用hfss 的參數(shù)掃描分析功能分析在10ghz 處，波導(dǎo)3 個(gè)端口的s 參數(shù)隨著隔片位置變量offset 變

5、化的關(guān)系曲線，并使用 hfss 的優(yōu)化設(shè)計(jì)功 能，求解出當(dāng)端口3 的輸出功率是端口2 的輸出功率的兩倍時(shí)隔片所在的位置。2.2求解方式的選擇本次項(xiàng)目主要利用hfss軟件中optimetrics 模塊的參數(shù)掃描和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能對(duì)t 形波導(dǎo)的隔片位置進(jìn)行參數(shù)掃描分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。參數(shù)掃描分析的目的是：在工作頻率10ghz時(shí)，查看t形波導(dǎo)3個(gè)端口的能量隨著隔片位置變量offset的變化曲線； 優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：在工作頻率為10ghz 時(shí)，求解出隔片的準(zhǔn)確位置，使端口3 的輸出功率是端口2 輸出功率的兩倍。2.3模型的建立運(yùn)行 hfss 并新建工程，選擇求解類型：【hfss】【 solution type

6、】，選中driven modal 單選按鈕。設(shè)置長度單位：主菜單欄選擇【modeler】【units】，選擇英寸單位。創(chuàng)建長方體 ：【tools】【options】【modeler options】，選擇 drawing 選項(xiàng)卡，確認(rèn)選中 edit properties of new primitives；主菜單欄選擇【draw】【box】，輸入長方體的 起始點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0.45，0），確認(rèn)后，再輸入長方體的長、寬、高分別為 2、0.9、 0.4，確認(rèn)后設(shè)置屬性。設(shè)置波端口激勵(lì) ：切換到面選擇狀態(tài)，選中長方體上位于 x = 2 處平行于 yz 面的平面，選擇【assign excitatio

7、n】 【wave port】，在 name 項(xiàng)輸入端口名稱 port1；在新窗口中打開 integration line 下方的下拉列表框，選擇 new line 選項(xiàng)， 設(shè)置端口的積分校準(zhǔn)線，選中new line 后，進(jìn)入端口積分線繪制狀態(tài)。此時(shí)移動(dòng)鼠標(biāo) 光標(biāo)到坐標(biāo)（2，0，0）處，單擊鼠標(biāo)，確定積分線的起始點(diǎn)；然后再移動(dòng)鼠標(biāo)光標(biāo)到（2，0，0.4）處，單擊鼠標(biāo)，確定積分線的終止點(diǎn)，完成積分線設(shè)置。復(fù)制長方體創(chuàng)建 t 形波導(dǎo)的第二個(gè)和第三個(gè)臂：選擇 【tools】【options】 【hfss options】，選擇 general，選中 duplicate boundaries with

8、geometry 復(fù)選框，復(fù)制長方體創(chuàng)建t 形波導(dǎo)的第二個(gè)臂。展開操作歷史樹，選擇新建的長方體，選擇 【edit】【duplicate】【around axis】，打開 duplicate around axis 對(duì) 話框，進(jìn)行復(fù)制物體的操作。對(duì)話框中的 axis 項(xiàng)選擇 z，angle 項(xiàng)輸入 90deg，total number 項(xiàng) 輸入2，復(fù)制生成一個(gè)與 z 軸成90夾角的長方體。同樣的方法創(chuàng)建第三個(gè)臂。合并長方體：主菜單欄選擇【tools】【options】【modeler options】，打開 3d modeler options 對(duì)話框，選擇 operation 選項(xiàng)卡，確認(rèn)cl

9、one tool objects before unite 復(fù)選框未被選中。切換到物體選擇狀態(tài)，選中 3 個(gè)長方體，從主菜單欄選擇【3d modeler】【boolean】【unite】命令執(zhí)行合并操作，將3 個(gè)長方體合并生成一個(gè)t 形物體模型。創(chuàng)建隔片：設(shè)置起始點(diǎn)位置為0.45in，offset-0.05in，0in，長寬高尺寸為.45、0.1 和 0.4的長方體。相減操作完成后，創(chuàng)建的完整的t 形 波導(dǎo)模型。2.4分析求解設(shè)置2.4.1添加求解設(shè)置在工作界面左側(cè)的工程管理窗口（project manager）中，展開teemodal 設(shè)計(jì)，選中analysis 節(jié)點(diǎn)，單擊右鍵，在彈出的快捷

10、菜單中單擊【add solution setup】，打開求解設(shè)置對(duì)話框。在該對(duì)話框中，solution frequency 項(xiàng)輸入10，默 認(rèn)單位為ghz，其他項(xiàng)都保持默認(rèn)設(shè)置不變，單擊確定按鈕結(jié)束。此時(shí)，就在工程管理窗口analysis 節(jié)點(diǎn)下添加了一個(gè)名稱為setup1 的求解設(shè)置項(xiàng)。2.4.2添加掃頻設(shè)置在工程管理窗口中，展開 analysis 節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊前面添加的 setup1 求解設(shè)置項(xiàng)，在彈出菜單中單擊【add frequency sweep】，打開、edit sweep 對(duì)話框。 在該對(duì)話框中，sweep type 項(xiàng)選擇interpolating，frequency set

11、up 項(xiàng)作如下表所示的設(shè)置。其他項(xiàng)保持默認(rèn)設(shè)置不變，然后單擊edit sweep 對(duì)話框的ok按鈕完成掃頻設(shè)置，此時(shí) 即在setup1 節(jié)點(diǎn)下添加了一個(gè)名稱為 sweep1 的掃頻設(shè)置項(xiàng)，typelinearsetupstart8ghzstop10ghzstep size0.01ghz利用設(shè)計(jì)檢查驗(yàn)證窗口，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的完整性和正確性。從主菜單欄選擇【hfss】【analyze all】，運(yùn)行仿真分析。2.4.3圖形化顯示s 參數(shù)計(jì)算結(jié)果單擊result項(xiàng)，選擇【create modal solution data report】【rectangular plot】，繪制出 s11、s12、s13

12、幅度隨頻率變化的曲線。2.4.4表面電場(chǎng)分布選擇【hfss】【fields】【plot fields】【e】【mag_e】，打開create filed plot 對(duì)話框，對(duì)話框所有設(shè)置保持默認(rèn)不變，單擊按鈕，此時(shí)在選中的 t 形波導(dǎo)上表面會(huì)顯示出場(chǎng)分布情況。12.4.5結(jié)果顯示 h-t分支s參數(shù)幅度隨頻率變化 h-t波導(dǎo)表面電場(chǎng)分布圖雙t分支模型s參數(shù)幅度隨頻率變化曲線 1 、2側(cè)臂等幅同相輸 e臂輸入 h臂輸入 雙t分支規(guī)律總結(jié)：信號(hào)從e臂輸入時(shí)，h臂無輸出，端口1、2輸出等幅反相位波；信號(hào)從h臂輸入時(shí)，e臂無輸出，端口1、2輸出等幅同相位波；從1、2側(cè)臂輸入等幅同相信號(hào)時(shí)，h臂有輸出，e

13、臂無輸出。 2.5模型優(yōu)化的設(shè)計(jì)利用參數(shù)掃描分析功能，分析在工作頻率為10ghz時(shí)，t形波導(dǎo)3個(gè)端口的信號(hào)能量大小隨隔片位置變量offset的變化關(guān)系； 利用hfss的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，找出隔片的準(zhǔn)確位置，使得在10ghz工作頻點(diǎn)，t形波導(dǎo)端口3的輸出功率是端口2輸出功率的2倍.當(dāng)變量offset值逐漸變大，即隔片位置向端口2移動(dòng)時(shí)，端口2 的輸出功率逐漸減小，端口3 的輸出功率逐漸變大；當(dāng)隔片位置變量offset超過0.3英寸時(shí)，端口1的反射明顯增加，端口3 的輸出功率開始減小。因此在后面的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以設(shè)置變量offset優(yōu)化范圍的最大值為0.3英寸。同時(shí)在變量offset=0.1英寸時(shí)，端口3的輸出功率約為0.65，端口2 的輸出功率略大于0.3,此處端口3 的輸出功率約為端口2輸出功率的2倍。優(yōu)化結(jié)果： 由上圖可以看出，當(dāng)變量offset=0.095英寸時(shí)，目標(biāo)函數(shù)（cost）小于設(shè)定的目標(biāo)值0.0001，達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，即當(dāng)變量offset=0.095英寸時(shí)，t形波導(dǎo)端口3的輸出功率是端口2 的兩倍。優(yōu)化后 雙t分支表面分布圖優(yōu)化后t形波導(dǎo)端口3的輸出功率是端口2 的兩倍。三、結(jié)論通過這次三級(jí)項(xiàng)目，我們加深了對(duì)