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電磁工程設(shè)計與仿真第三章微波無源器件
設(shè)計、仿真與優(yōu)化主要內(nèi)容3.2波導(dǎo)T接頭的仿真3.1波導(dǎo)T接頭的原理3.3波導(dǎo)T接頭的優(yōu)化3.4波導(dǎo)魔T的仿真3.1波導(dǎo)T接頭的原理一、功分器的基本特性功率分配器(功分器)是無源三端口器件.特性:所有端口都匹配的三端口無耗互易網(wǎng)絡(luò)是不可能的。三個條件任意一個條件放寬,則可以實現(xiàn):若三端口網(wǎng)絡(luò)非互易,則所有端口可匹配,并無耗。若無耗互易的三端口網(wǎng)絡(luò)只有兩個端口匹配,可實現(xiàn)。若三端口網(wǎng)絡(luò)有耗,則該網(wǎng)絡(luò)互易,全部端口可匹配。二、波導(dǎo)H-T,E-T3臂:H壁1,2臂:平分臂分支在主波導(dǎo)TE10磁場(H)平面內(nèi),因此稱H-T1.波導(dǎo)H-T功率分配功能:1233臂自身有反射,若在該分支波導(dǎo)加入匹配裝置,可使3臂匹配,入射功率全部從1、2臂平分輸出。3臂輸入時,從1/2臂等幅、同相輸出;1.波導(dǎo)H-T應(yīng)用:波導(dǎo)功率分配網(wǎng)絡(luò)1臂輸入時,2、3臂輸出;1、2臂不隔離。2臂輸入時,1、3臂輸出;1、2臂不隔離。1231231.波導(dǎo)H-T問題:1,2不隔離有何影響?求和功能:123信號1信號2信號1+信號2兩信號分別從1、2臂輸入,且到達(dá)分支波導(dǎo)中軸T面時相位相同,則3臂輸出兩信號之和,稱為和信號。T1.波導(dǎo)H-T求差功能:123信號1信號2信號1-信號2兩信號分別從1、2臂輸入,且到達(dá)分支波導(dǎo)中軸T面時相位相反,則3臂輸出兩信號之差,稱為差信號。
若此時兩信號等幅,則3臂無輸出;T1.波導(dǎo)H-T2.波導(dǎo)E-T21,2:平分臂3:E臂分支在主波導(dǎo)TE10電場(E)平面內(nèi),因此稱E-T功率分配功能:2133臂自身有反射,但若在該臂加入匹配裝置,可使3臂匹配,入射能量全部從1、2臂平分輸出。3臂輸入時,從1、2臂等幅、反相輸出;2.波導(dǎo)E-T1臂輸入時,2、3臂輸出;1、2臂不隔離。1231232臂輸入時,1、3臂輸出;1、2臂不隔離。2.波導(dǎo)E-T求差功能:123兩信號分別從1、2臂輸入,且到達(dá)分支波導(dǎo)中軸T面時相位相同,則3臂輸出兩信號之差,稱為差信號。信號1-信號2信號1信號2
若兩輸入信號等幅,則3臂無輸出。T2.波導(dǎo)E-T求和功能:兩信號分別從1、2臂輸入,且到達(dá)分支波導(dǎo)中軸T面時相位相反,則3臂輸出兩信號之和,稱為和信號。123信號1+信號2信號1信號2T2.波導(dǎo)E-T3.T接頭匹配波導(dǎo)T等效模型:T形結(jié)并聯(lián)導(dǎo)納:忽略B=0,且Z1=Z2=Z0,輸入不匹配。3.波導(dǎo)H-T匹配3臂匹配方法:隔片匹配切角匹配銷釘匹配根據(jù)三端口特性:由于H-T互易無耗,當(dāng)3臂匹配時,1,2臂肯定不匹配。三.雙T和魔T(1)雙T根據(jù)E-T,H-T特性,雙T特性:①輸入:②③等幅同相輸出,
④隔離;④輸入:②③等幅反相輸出,
①隔離;②③輸入:①輸出和信號,
④輸出差信號;“①④臂隔離”原因:243T4臂輸入的TE10模式關(guān)于中軸面T反對稱,而1臂中TE10模式關(guān)于中軸面T對稱,故相互不能激勵。1臂(4臂)輸入的TE10??梢栽?臂(1臂)中激勵起高次模,但高次模式不能傳輸,不能輸出。4輸入,1隔離243T1輸入,4隔離(1)雙T(2)魔T234(E)1(H)調(diào)配裝置魔T=匹配雙T(3)隔離性:①④隔離;②③隔離;
主要特性:匹配性:每個端口匹配;①④匹配,②③自動匹配;(2)平分性:
①輸入:②③等幅同相輸出;
④輸入:②③等幅反相輸出;②③輸入:④=差,①=和;單脈沖雷達(dá)和差網(wǎng)絡(luò):ΣΔΣΔΣΣΔ(3)魔T的應(yīng)用和波束差波束俯仰差和激勵方位差測角功能(3)魔T的應(yīng)用ΣΔΣΔ3.2波導(dǎo)T接頭的仿真1.T接頭仿真要求:波導(dǎo)尺寸:a=0.90in,b=0.4in隔片尺寸:W=0.45in,t=0.1in,offset=0or0.2in頻率范圍:8-10GHz分析端口反射和功率分配情況,為優(yōu)化提供支持2.SetuptheDesignOpenHFSSandSaveaNewProject:Tee.hfssInsertandrenametheDesign:TeeModelSelectaSolutionType:DrivenModalSettheDrawingUnits:in3.CreatetheModelCreatetheT-Junction:DrawaBox(Tee
):basecorner(0,-0.45in,0)Dx=2in,Dy=0.9in,Dz=0.4inDuplicatetheBox:Edit>Duplicate>AroundAxis(z),90°DuplicatetheBoxtoCreatetheThirdSection:-90°3.CreatetheModelCreatetheT-Junction:UnitetheBoxes:Modeler->Boolean->Unite將T接頭Copy,Paste,另存新設(shè)計:TeeMagic.3.CreatetheModelCreatetheSeptum:DrawaBox(Septum):basecorner(-0.45in,offset-0.05in,0in)Dx=0.45in,Dy=0.1in,Dz=0.4inSubtracttheSeptumfromtheT-Junction:Modeler->Boolean->Subtract4.AssignWavePortsWavePort1:Selectface:yzplaneatx=2Modeler->AssignExcitation->WavePortWavePort2:(Port2)WavePort3:(Port3)5.SetUpandGenerateSolutionsAddSolutionSetup:
10GHzintheSolutionFrequency.AddFrequencySweeptotheSolutionSetup:AddSweep,Interpolating,Start=8GHz,Stop=10GHz,StepSize=0.01GHzValidatetheDesign.AnalyzetheDesign.6.MovethePositionoftheSeptum1.Right-clickthedesignTeeModel2.clickDesignProperties.3.UndertheLocalVariablestab,selectValue.4.Type0.2intheValuetextboxforthevariableoffset.5.Re-analyzetheDesign7.Results7.Results3.3波導(dǎo)T接頭的優(yōu)化1.UsingOptimetricswithHFSSOptimetricsenablesyoutodeterminethebestdesignvariationamongadesign’spossiblevariations.Parametric:
Defineoneormorevariablesweepdefinitions,
HFSSsolvesthedesignateachvariation.Optimization:
Identifythecostfunctionandoptimizationgoal.Optimetricschangesparametertomeetthatgoal.Sensitivity:
Optimetricsdeterminethesensitivityofthedesigntosmallchangesinvariables.Tuning:
Variablevaluesarechangedinteractivelyandtheperformanceofthedesignismonitored.Statistical:
Optimetricsdeterminesthedistribution,causedbystatisticaldistributionofvariablevalues.3.3波導(dǎo)T接頭的優(yōu)化2.T優(yōu)化優(yōu)化要求:波導(dǎo)尺寸:a=0.9in,b=0.4in隔片尺寸:width=0.45in,thick=0.1in頻率范圍:10GHz優(yōu)化參數(shù):offset優(yōu)化目標(biāo):|S31|2=2*|S21|22.SetuptheOptimetricsDesignSavetheTeeProjectUnderaNewName:OptimTeeDeletetheFrequencySweep:WillspecifyintheSolutionSetupdialogbox,10GHz.3.SetupandSolvethe
ParametricAnalysisAddaParametricSetup:Right-clickOptimetricsintheprojecttree,ClickAdd>Parametricontheshortcutmenu.3.SetupandSolvethe
ParametricAnalysisAddaVariableSweepDefinition:AddVariable:offsetStart:0in,Stop:1in,Step:0.1inAdd>>3.SetupandSolvethe
ParametricAnalysisSaveFieldsandMeshforEverySolvedDesignVariationOptionstab,selectSaveFieldsAndMesh.3.SetupandSolvethe
ParametricAnalysisSpecifytheSolutionQuantitiestoEvaluate:powerquantitiesatPort1,Port2,andPort3,|Si1|2Calculationstab->SetupCalculations.3.SetupandSolvethe
ParametricAnalysisOutputVariables->Power11=mag(S(Port1,Port1))*mag(S(Port1,Port1))Power21=mag(S(Port1,Port1))*mag(S(Port1,Port1))Power31=mag(S(Port3,Port1))*mag(S(Port3,Port1))3.SetupandSolvethe
ParametricAnalysisSelectPower11,Power21,Power31ClickAddCalculation3.SetupandSolvethe
ParametricAnalysisSolvetheParametricAnalysis:Right-clickParametricSetup1,andthenclickAnalyze.4.ReviewtheParametricResultsPlotofS-ParameterResultsvs.offsetPosition:Asseptumoffset<0.3in,thetransmissiondecreasesatPort2andincreasesatPort3.Asseptumoffset>0.3in,itbecomeslesseffective,reflectionincreasesattheinputport,Port1.maximumvaluefortheoptimizationtobe0.3inches.4.ReviewtheParametricResultsPlotofPowerDistributionvs.OffsetPositionoffset=0in,P3/P2=1:1;offset=0.1in,P3/P2~2:1;offset=0.3in,P3/P2~9:1;ThegoalforoptimizationisPower31=2*Power21,startingvaluetobe0.1inches.4.ReviewtheParametricResultsAnimatetheFieldOverlayPlot:Offset=0inOffset=0.2inOffset=0.4inOffset=0.8in5.SetupandSolvetheOptimizationAnalysisYouwillcompletethefollowingtasks:Setupthevariable
offsetforanoptimizationanalysis.Addanoptimizationsetuptotheproject.Addacostfunctiontotheoptimizationsetup.Solvetheoptimizationanalysis.5.SetupandSolvetheOptimizationAnalysisSelecttheVariabletobeOptimized:HFSS->DesignPropertiesSelectOptimization,variableoffset,selectInclude,5.SetupandSolvetheOptimizationAnalysisAddanOptimizationSetup:HFSS->OptimetricsAnalysis->AddOptimizationClickQuasiNewton,Max.No.ofIterationsis10005.SetupandSolvetheOptimizationAnalysisAddaCostFunction:SetupCalculations->Cal.Expr.=Power31-2*Power21Goal->0,Weight->1,AcceptableCost->0.0015.SetupandSolvetheOptimizationAnalysisModifytheVariable’sStartingValue:ClicktheVariables
tab.StartingValue->0.1,Min->0,Max->0.3SolvetheParametricSetupBeforetheOptimization:Optimizationusestheresultstodeterminethestartingvalue.Generaltab->ClickParametricSetup1->SelectSolvetheparametricsweepbeforeoptimization.SelectUpdatedesignparametervaluesafteroptimization.SolvetheOptimizationAnalysis6.ReviewtheOptimizationResultsViewtheCostvs.SolvedIterationOptimizationSetup1->ViewAnalysisResult->PostAnalysis->Result6.ReviewtheOptimi
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