T型波導的內場分析和優(yōu)化設計

1、t型波導的內場分析和優(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結果顯示82.5模型優(yōu)化的設計8三、結論10四、主要參考文獻10摘 要本次三級項目的主要內容是t形波導的內場分析和優(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，波導三個端口的s參數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濟出現的情況下，研究各種形狀的電磁波導是必要的，根據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。而在微波系統尤其是波導系統中，元件的接入必須由分支元件來實現。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分支的結構總是作成對稱的，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，波導 3 個端口的s 參數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 的參數掃描分析功能分析在10ghz 處，波導3 個端口的s 參數隨著隔片位置變量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 模塊的參數掃描和優(yōu)化設計功能對t 形波導的隔片位置進行參數掃描分析和設計優(yōu)化。參數掃描分析的目的是：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 參數計算結果單擊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結果顯示 h-t分支s參數幅度隨頻率變化 h-t波導表面電場分布圖雙t分支模型s參數幅度隨頻率變化曲線 1 、2側臂等幅同相輸 e臂輸入 h臂輸入 雙t分支規(guī)律總結：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)化結果： 由上圖可以看出，當變量offset=0.095英寸時，目標函數（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、結論通過這次三級項目，我們加深了對波導