T型波導的內(nèi)場分析和優(yōu)化設計

1、t型波導的內(nèi)場分析和優(yōu)化設計目 錄摘 要3一、前言.3二、報告正文32.1模型整體設計流程42.2求解方式的選擇42.3模型的建立52.4分析求解設置62.4.1添加求解設置62.4.2添加掃頻設置62.4.3圖形化顯示62.4.4表面電場分布72.4.5結(jié)果顯示82.5模型優(yōu)化的設計8三、結(jié)論10四、主要參考文獻10摘 要本次三級項目的主要內(nèi)容是t形波導的內(nèi)場分析和優(yōu)化設計。主要分析了ht分支波導和雙t分支波導。利用hfss軟件設計出t形波導，觀察在810ghz的工作頻段內(nèi)，波導三個端口的s參數(shù)隨頻率變化的關系曲線，同時觀察在10ghz時波導表面的電場分布。之后利用hfss的參數(shù)掃描分析功能

2、和優(yōu)化設計功能，分析在10ghz處波導三個端口隨著隔片位置變量offset變化的關系曲線；，分析找出端口3的輸出功率是端口2的輸出功率的2倍時隔片所在位置。一、前言在信息高速公路和知識經(jīng)濟出現(xiàn)的情況下，研究各種形狀的電磁波導是必要的，根據(jù)波導管截面形狀的不同，可以將波導分為矩形波導、圓形波導等。而在微波系統(tǒng)尤其是波導系統(tǒng)中，元件的接入必須由分支元件來實現(xiàn)。普通波導分支是三端口微波元件，形如字母t，因此又稱t形接頭。而矩形截面波導的分支主要有et分支、ht分支和匹配雙t分支。本次三級項目再此基礎上進行對t形波導的內(nèi)場分析和優(yōu)化設計，加深對t形波導認識與了解。二、報告正文t形波導是形如字母“t”的

3、矩形截面金屬波導的分支，可以將微波能量從主波導中分路接出的波導分支器，分為et形分支、ht形分支和匹配雙t。 et形分支 ht形分支et形分支波導延伸方向與主波導中te10模的電場平面平行。為了使用方便，et分支的結(jié)構(gòu)總是作成對稱的，主波導的兩臂長相等。主波導兩臂端口為和，分支臂端口為。當te10模從端口輸入時，和兩端口輸出等幅反相波。當te10模從和端口等幅同相輸入時，端口無輸出，主波導內(nèi)呈駐波場，引出分支的對稱平面為電場的波腹位置。當te10模從和端口等幅反相輸入時，端口有最大輸出，對稱面為電場波節(jié)位置。ht形分支是在主波導窄邊面上的分支, 其軸線平行于主波導te10模的磁場方向，相當于并

4、聯(lián)于主波導的分支線。信號以te10模從端口輸入，和的兩端口輸出等幅同相波；信號以te10模從端口和等幅同相輸入，端口有最大輸出，主波導中呈現(xiàn)駐波，主波導引出分支的對稱面處為電場駐波波腹；信號以te10模從端口和等幅反相輸入，端口無輸出，對稱面處為電場駐波的波節(jié)。2.1模型整體設計流程利用hfss軟件設計一個帶有隔片的t形波導，當隔片位于波導的正中央 時，在810ghz 的工作頻段內(nèi)，波導 3 個端口的s 參數(shù)隨著頻率變化的關系曲線，同時分 析查看在10ghz 時波導表面的電場分布。然后利用hfss 的參數(shù)掃描分析功能分析在10ghz 處，波導3 個端口的s 參數(shù)隨著隔片位置變量offset 變

5、化的關系曲線，并使用 hfss 的優(yōu)化設計功 能，求解出當端口3 的輸出功率是端口2 的輸出功率的兩倍時隔片所在的位置。2.2求解方式的選擇本次項目主要利用hfss軟件中optimetrics 模塊的參數(shù)掃描和優(yōu)化設計功能對t 形波導的隔片位置進行參數(shù)掃描分析和設計優(yōu)化。參數(shù)掃描分析的目的是：在工作頻率10ghz時，查看t形波導3個端口的能量隨著隔片位置變量offset的變化曲線； 優(yōu)化設計的目標是：在工作頻率為10ghz 時，求解出隔片的準確位置，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 選項卡，確認選中 edit properties of new primitives；主菜單欄選擇【draw】【box】，輸入長方體的 起始點坐標為（0，0.45，0），確認后，再輸入長方體的長、寬、高分別為 2、0.9、 0.4，確認后設置屬性。設置波端口激勵 ：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， 設置端口的積分校準線，選中new line 后，進入端口積分線繪制狀態(tài)。此時移動鼠標 光標到坐標（2，0，0）處，單擊鼠標，確定積分線的起始點；然后再移動鼠標光標到（2，0，0.4）處，單擊鼠標，確定積分線的終止點，完成積分線設置。復制長方體創(chuàng)建 t 形波導的第二個和第三個臂：選擇 【tools】【options】 【hfss options】，選擇 general，選中 duplicate boundaries with

8、geometry 復選框，復制長方體創(chuàng)建t 形波導的第二個臂。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 話框，進行復制物體的操作。對話框中的 axis 項選擇 z，angle 項輸入 90deg，total number 項 輸入2，復制生成一個與 z 軸成90夾角的長方體。同樣的方法創(chuàng)建第三個臂。合并長方體：主菜單欄選擇【tools】【options】【modeler options】，打開 3d modeler options 對話框，選擇 operation 選項卡，確認cl

9、one tool objects before unite 復選框未被選中。切換到物體選擇狀態(tài)，選中 3 個長方體，從主菜單欄選擇【3d modeler】【boolean】【unite】命令執(zhí)行合并操作，將3 個長方體合并生成一個t 形物體模型。創(chuàng)建隔片：設置起始點位置為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 波導模型。2.4分析求解設置2.4.1添加求解設置在工作界面左側(cè)的工程管理窗口（project manager）中，展開teemodal 設計，選中analysis 節(jié)點，單擊右鍵，在彈出的快捷

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

11、up 項作如下表所示的設置。其他項保持默認設置不變，然后單擊edit sweep 對話框的ok按鈕完成掃頻設置，此時 即在setup1 節(jié)點下添加了一個名稱為 sweep1 的掃頻設置項，typelinearsetupstart8ghzstop10ghzstep size0.01ghz利用設計檢查驗證窗口，檢驗設計的完整性和正確性。從主菜單欄選擇【hfss】【analyze all】，運行仿真分析。2.4.3圖形化顯示s 參數(shù)計算結(jié)果單擊result項，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表面電場分布選擇【hfss】【fields】【plot fields】【e】【mag_e】，打開create filed plot 對話框，對話框所有設置保持默認不變，單擊按鈕，此時在選中的 t 形波導上表面會顯示出場分布情況。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波導表面電場分布圖雙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)：信號從e臂輸入時，h臂無輸出，端口1、2輸出等幅反相位波；信號從h臂輸入時，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時，h臂有輸出，e

13、臂無輸出。 2.5模型優(yōu)化的設計利用參數(shù)掃描分析功能，分析在工作頻率為10ghz時，t形波導3個端口的信號能量大小隨隔片位置變量offset的變化關系； 利用hfss的優(yōu)化設計功能，找出隔片的準確位置，使得在10ghz工作頻點，t形波導端口3的輸出功率是端口2輸出功率的2倍.當變量offset值逐漸變大，即隔片位置向端口2移動時，端口2 的輸出功率逐漸減小，端口3 的輸出功率逐漸變大；當隔片位置變量offset超過0.3英寸時，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)化設計中，可以設置變量offset優(yōu)化范圍的最大值為0.3英寸。同時在變量offset=0.1英寸時，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，當變量offset=0.095英寸時，目標函數(shù)（cost）小于設定的目標值0.0001，達到優(yōu)化目標，即當變量offset=0.095英寸時，t形波導端口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)論通過這次三級項目，我們加深了對波導