微波技术与天线三级项目报告讲解.pdf

1T 型波导的内场分析和优化设计姓 名：课题组的分工或贡献：课 程 名 称：微波技术与天线指 导 教 师：2015 年 12 月2目录目录摘要.3一、前言.4二、报告正文.52.1 模型整体设计流程.52.2 求解方式的选择.62.2.1 关于 driven model 和 driven terminal.62.2.2 driven model 和 driven terminal 的选择.72.3 模型的建立.72.3.1 T 型波导管的建立.72.3.2 可移动隔片的添加.82.4 变量的选择和设置.82.5 模型的选择和设置.92.6 分析求解设置.92.7 模型优化的设计.10三、结论.113.1 内场分析.113.2 优化分析.12四、参考文献.143摘要摘要 本次微波三级项目主要是对 T 型波导的内场进行分析和优化设计。我们采用HFSS 构建 H-T 分支波导模型，设置相应参数及隔片位置进行仿真分析，经过分析我们得出了 S 参数的扫频结果和表面电厂的分布，然后调整隔片位置发现在P2=2P31时得到最优化，实现优化目标。4一、前言一、前言在学习了微波技术与天线之后，我们了解到在微波段内（300MHz3000GHz）传输线已经不能简单地看做连接导线，需要考虑到信号沿边传输时的延时与损耗和电磁量的横向分量等问题，特别是对于将一路信号分送到两路或者多路的时候，一般的双线传输线中会通过在主传输线上向外串接或者并接引出信号，但是金属波导内，支结构不仅会遇到结构问题还会带来电性能上的一些特性。所以我们决定采用 T 型波导来克服这些困难。T 波导包括 E-T.H-THE 双 T 分支1，我们主要研究 H-T 分支，H-T 分支的分支波导延伸方向与主波导中的 TE10 模的磁场平面平行，通过分析 T 型波导管内部的场结构，进而确定其外特性，再通过 HFSS 进行仿真，设置相应的参数得出T 型波导管的最优设计。解决我们遇到的问题，我们预期会得到 S 参数和得到最优的隔片位置，实现目标的输出功率为传入功率的 2.0 倍。5二、报告正文二、报告正文2.1 模型整体设计流程模型整体设计流程开始开始构建矩形波导模型构建矩形波导模型设置参数设置参数绘制绘制 810GHZ 内内 3个端口参数变化曲线个端口参数变化曲线绘制绘制 10HZ 波导表面波导表面电场分布电场分布扫描分析扫描分析10GHZ 处绘制处绘制 S 参参数随隔片位置变化曲数随隔片位置变化曲线线优化设计优化设计求解端口求解端口 3 输出功率输出功率是端口是端口 2 两倍时隔片两倍时隔片位置位置绘绘制制曲曲线线绘绘制制表表格格绘绘制制场场分分布布图图结束结束6首先，我们利用 HFSS 构建 T 形波导模型，设置好端口，如图 2-1 所示。然后在 T 形波导模型的长边加入隔片,即正对端口 1 一侧的波导壁上凹进去一块，用于模拟所放置的隔片，这样我们就可以通过改变隔片的位置来改变端口 1 到端口2 和端口 3 的传输功率以及端口 1 的反射功率2。图 2-1 T 形波导管模型接着，我们设置好参数，绘制在 810GHZ 的工作频段内波导三个端口的 S参数随着频率变化的关系曲线。然后，分析查看在 10GHZ 是波导表面的电场分布。然后，我们利用 HFSS 的参数扫面分析功能分析在 10GHZ 处波导 3 个端口的S 参数随着隔片位置变化而变化的关系曲线。最后，使用 HFSS 优化设计功能求解出端口 3 的输出功率是端口 2 输出功率的 2 倍时隔片所在的位置得到优化后的 T 形波导。隔片端口 2端口3端口 172.2 求解方式的选择求解方式的选择2.2.1 关于关于 driven model 和和 driven terminal1)driven modal 模式驱动，所谓模式驱动就是 HFSS 根据用户所定义的模式书面求解端口模式数目及场分布，并未每个模式分配相等的功率，仿真时用端口场分布做为边界条件对内部进行求解，默认端口阻抗为 Zpi 无须定义积分线来求解电压，S 参量用入射反射功率来表示。2)Driven terminal 默认的求解终端阻抗为 Zvi 故对于每个终端需要定义积分线。对于分析偶合传输线等一个端口上有多个终端，而求解终端之前耦合问题的模型，driven modal 是不适合的。应用 driven terminal。2.2.2 driven model 和和 driven terminal 的选择的选择1.如果模型中有类似于耦合传输线3求耦合问题的模型一定要用 driven terminal 求解。2.Driven modal 适用于其他模型，但一般 tem 模式（同轴，微带等）传输的单终端模型一般用 driven terminal 分析，由于其直接对电流电压求解而避免了对整个面上功率的计算从而比较简便。综上所述，因为我们仿真分析 T 型波导管是在矩形波导管的基础上改变电磁波传播方向的元件，所以，我们采用的是 driven modal 求解模式。82.3 模型的建立模型的建立2.3.1 T 型波导管的建立型波导管的建立 图 2-2 T 形波导管的建立我们利用 3 个矩形交叉形成 T 形来构成 T 形波导管的形状，再利用合并功能Unite 对上 3 个矩形进行合并，消除重叠的部分，使他们成为一个整体，这样就建立了 T 形波导管的原型。2.3.2 可移动隔片的添加可移动隔片的添加 图 2-3 可移动隔片的添加我们在 T 形波导管内建立一个矩形，在其弹出的 Command 界面内设置所需参量。其中对于矩形位置的参量设置，我们设置其 Y 轴坐标含有变量 Offset（优化设计步骤，我们需要用到 Offset），需设置 Offset 的初值。我们让 T 形波导管原型与新建的矩形进行相减操作，即在 T 形波导管原型中去掉新建的矩形，从而得到我们本次项目所需的完整的 T 形波导模型。92.4 变量的选择和设置变量的选择和设置首先，我们采用英寸作为计数单位。T 形波导管矩形臂参数设置如表 2-1 所示。表 2-1 矩形臂参数表初始位置长宽高（0，-0.45,0）20.90.4上表中所示为我们设置的第一个矩形的参数，其余两个矩形是由其进行反转而来，从而得到三个矩形的重叠图形。可移动隔片参数设置如表 2-2 所示。表 2-2 可移动隔片参数初始位置长宽高（0.4，Offset-0.05，0)0.450.10.42.5 模型的选择和设置模型的选择和设置我们采用由矩形组成的 T 形波导管，以隔片的方式来调节电磁波传输功率的分配，以此来仿真电磁波在 T 形波导管中的传输情况，并对其进行分析学习。图 2-4 完整的 T 形波导模型102.6 分析求解设置分析求解设置图 2-5 扫频参数设置1)求解设置 我们在工作界面选中 Anylysis 节点,在求解设置对话框中，将电磁波的工作频率设置为 10GHZ，其他选项默认设置不变。此时，在 Analysis 节点下添加了一个求解设置项。2)扫频设置 接下来，对 Analysis 节点进行展开，对前面的求解设置项对话框中，Sweep Type 项选中 Interpolating，Frequency Setup 项进行上图 2-5 的设置，其他项保持不变。我们设置扫频区间 810GHZ，步进量为 0.01GHZ。最后，检验设计的完整性和正确性，便可以进行仿真分析计算了。2.7 模型优化的设计模型优化的设计参数扫描：在工作频率为 10GHZ 时，查看 T 形波导 3 个端口的能力随着隔片位置变了 Offset 的变化曲线。优化设计：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。11我们需要添加优化设计项，进行优化设计，求解出隔片位置，使得端口 3 输出功率是端口 2 输出功率的两倍3。所以，我们所设置的目标函数为 Power3-2*Power2（端口 3 输出功率为端口2 输出功率 2 倍）。我们在 Acceptable 项输入 0.0005，表示目标函数的值小于或等于设定的0.0005 时，将停止分析。而在我们为了形成完整 T 形波导管而新建的矩形参量中含有 Offset 变量。所以，我们的对我们所要优化整个过程中设置优化变量的取值范围，即在 Offset 的复选框中，对 Min 与 Max 数日 0 和 0.3，设置 Offset 的优化范围为 00.3 英寸。整个优化设计完成后，接下来便可运行优化分析。123、结论结论3.1 内场分析内场分析图 3-1 波导 3 个端口的 S 参数频率变化的关系曲线如上图 3-1 所示，我们绘制在 810GHZ 的工作频段内时，波导 3 个端口的 S参数频率变化的关系曲线。从中我们可以得到端口 1 的 S 参数在区间内会逐渐增加，而端口 2，端口 3 的 S 参数会重叠，并在整个区间内保持不变。当频率固定不变，我们令它工作在 10GHZ 时，隔片位置在正中央时，我们可以得到，电磁波传输过程中，电场分布的动态图。从图中，我们可以看到，由于隔片位置在正中央，端口 2 和端口 3 所分得的能量是相等的。此时，电磁波在 T形波导管的作用下双向传输，并且能量对称。如图 3-2 所示。13图 3-2 电场分布图3.2 优化分析优化分析 图 3-3 输出变量随 Offset 变化的关系图从图 3-3 中可以看出，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。当隔片位置超过140.3 英寸时，端口 1 的反射明显增大，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 的优化范围为 0.3 英寸。同时，还可以看出在Offset 等于 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 输出功率的两倍。因此，在优化设计时，可以设置变量 Offset 的初始值为 0.1 英寸，以减少运算量，节约运算时间。（a）（b）图 3-4 目标函数与迭代次数关系图我们第一次令步进量为 0.1，采样点数为 15 个，我们得到了图 3-4（a），我们得到在频段区间内，会出现两个峰值，且峰值位置比较尖锐。第二次，我们令步进量为 0.01，采样点数为 101 个，明显增多了，我们得到的频段区间内的曲线（b）相较于（a）来说更加平滑，我们得到的数据也更加详细，并且峰值仅出现一个。（a）步进量 0.1 （b）步进量 0.01图 3-5 优化后的场分布图15从图 3-5 中我们可以粗略看出，左边端口 3 的输出能量约为端口 2 的两倍4，这就是我们想要的优化结果，其中隔片的位置就是符合我们优化要求的所应该在的位置。对比图 3-5（a）（b），（a）中左边端口 3 的能量要更高一些，这样的差别是由于隔片的步进量不同使得我们处理的数据量不同所造成的。我们牺牲了计算量，换取了更优的计算精度，得到更准确的优化结果。结果如图 3-5（b）。4、参考文献参考文献1殷际杰.微波技术与天线-电磁波导行与辐射工程(第 2 版)M.电子工业,2009.（4）：157-1632刘世清,姚晔,邱营营.指数形声波导管的等效电路及其声传输特性J.浙江师范大学学报：自然科学版,2008,31(2):157-161.3马建国,杨庆德.T 型金属加载矩形波导的 TE 波特性J.兰州大学学报：自然科学版,1991(4):71-74.4白雅.有限长均匀截面声波导管的等效 T 型网络研究J.南阳师范学院学报,2005(3):28-30.