T型波导的内场分析和优化设计

1、t型波导的内场分析和优化设计目 录摘 要3一、前言.3二、报告正文32.1模型整体设计流程42.2求解方式的选择42.3模型的建立52.4分析求解设置62.4.1添加求解设置62.4.2添加扫频设置62.4.3图形化显示62.4.4表面电场分布72.4.5结果显示82.5模型优化的设计8三、结论10四、主要参考文献10摘 要本次三级项目的主要内容是t形波导的内场分析和优化设计。主要分析了ht分支波导和双t分支波导。利用hfss软件设计出t形波导，观察在810ghz的工作频段内，波导三个端口的s参数随频率变化的关系曲线，同时观察在10ghz时波导表面的电场分布。之后利用hfss的参数扫描分析功能

2、和优化设计功能，分析在10ghz处波导三个端口随着隔片位置变量offset变化的关系曲线；，分析找出端口3的输出功率是端口2的输出功率的2倍时隔片所在位置。一、前言在信息高速公路和知识经济出现的情况下，研究各种形状的电磁波导是必要的，根据波导管截面形状的不同，可以将波导分为矩形波导、圆形波导等。而在微波系统尤其是波导系统中，元件的接入必须由分支元件来实现。普通波导分支是三端口微波元件，形如字母t，因此又称t形接头。而矩形截面波导的分支主要有et分支、ht分支和匹配双t分支。本次三级项目再此基础上进行对t形波导的内场分析和优化设计，加深对t形波导认识与了解。二、报告正文t形波导是形如字母“t”的

3、矩形截面金属波导的分支，可以将微波能量从主波导中分路接出的波导分支器，分为et形分支、ht形分支和匹配双t。 et形分支 ht形分支et形分支波导延伸方向与主波导中te10模的电场平面平行。为了使用方便，et分支的结构总是作成对称的，主波导的两臂长相等。主波导两臂端口为和，分支臂端口为。当te10模从端口输入时，和两端口输出等幅反相波。当te10模从和端口等幅同相输入时，端口无输出，主波导内呈驻波场，引出分支的对称平面为电场的波腹位置。当te10模从和端口等幅反相输入时，端口有最大输出，对称面为电场波节位置。ht形分支是在主波导窄边面上的分支, 其轴线平行于主波导te10模的磁场方向，相当于并

4、联于主波导的分支线。信号以te10模从端口输入，和的两端口输出等幅同相波；信号以te10模从端口和等幅同相输入，端口有最大输出，主波导中呈现驻波，主波导引出分支的对称面处为电场驻波波腹；信号以te10模从端口和等幅反相输入，端口无输出，对称面处为电场驻波的波节。2.1模型整体设计流程利用hfss软件设计一个带有隔片的t形波导，当隔片位于波导的正中央 时，在810ghz 的工作频段内，波导 3 个端口的s 参数随着频率变化的关系曲线，同时分 析查看在10ghz 时波导表面的电场分布。然后利用hfss 的参数扫描分析功能分析在10ghz 处，波导3 个端口的s 参数随着隔片位置变量offset 变

5、化的关系曲线，并使用 hfss 的优化设计功 能，求解出当端口3 的输出功率是端口2 的输出功率的两倍时隔片所在的位置。2.2求解方式的选择本次项目主要利用hfss软件中optimetrics 模块的参数扫描和优化设计功能对t 形波导的隔片位置进行参数扫描分析和设计优化。参数扫描分析的目的是：在工作频率10ghz时，查看t形波导3个端口的能量随着隔片位置变量offset的变化曲线； 优化设计的目标是：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。2.3模型的建立运行 hfss 并新建工程，选择求解类型：【hfss】【 solution type

6、】，选中driven modal 单选按钮。设置长度单位：主菜单栏选择【modeler】【units】，选择英寸单位。创建长方体 ：【tools】【options】【modeler options】，选择 drawing 选项卡，确认选中 edit properties of new primitives；主菜单栏选择【draw】【box】，输入长方体的 起始点坐标为（0，0.45，0），确认后，再输入长方体的长、宽、高分别为 2、0.9、 0.4，确认后设置属性。设置波端口激励 ：切换到面选择状态，选中长方体上位于 x = 2 处平行于 yz 面的平面，选择【assign excitatio

7、n】 【wave port】，在 name 项输入端口名称 port1；在新窗口中打开 integration line 下方的下拉列表框，选择 new line 选项， 设置端口的积分校准线，选中new line 后，进入端口积分线绘制状态。此时移动鼠标 光标到坐标（2，0，0）处，单击鼠标，确定积分线的起始点；然后再移动鼠标光标到（2，0，0.4）处，单击鼠标，确定积分线的终止点，完成积分线设置。复制长方体创建 t 形波导的第二个和第三个臂：选择 【tools】【options】 【hfss options】，选择 general，选中 duplicate boundaries with

8、geometry 复选框，复制长方体创建t 形波导的第二个臂。展开操作历史树，选择新建的长方体，选择 【edit】【duplicate】【around axis】，打开 duplicate around axis 对 话框，进行复制物体的操作。对话框中的 axis 项选择 z，angle 项输入 90deg，total number 项 输入2，复制生成一个与 z 轴成90夹角的长方体。同样的方法创建第三个臂。合并长方体：主菜单栏选择【tools】【options】【modeler options】，打开 3d modeler options 对话框，选择 operation 选项卡，确认cl

9、one tool objects before unite 复选框未被选中。切换到物体选择状态，选中 3 个长方体，从主菜单栏选择【3d modeler】【boolean】【unite】命令执行合并操作，将3 个长方体合并生成一个t 形物体模型。创建隔片：设置起始点位置为0.45in，offset-0.05in，0in，长宽高尺寸为.45、0.1 和 0.4的长方体。相减操作完成后，创建的完整的t 形 波导模型。2.4分析求解设置2.4.1添加求解设置在工作界面左侧的工程管理窗口（project manager）中，展开teemodal 设计，选中analysis 节点，单击右键，在弹出的快捷

10、菜单中单击【add solution setup】，打开求解设置对话框。在该对话框中，solution frequency 项输入10，默 认单位为ghz，其他项都保持默认设置不变，单击确定按钮结束。此时，就在工程管理窗口analysis 节点下添加了一个名称为setup1 的求解设置项。2.4.2添加扫频设置在工程管理窗口中，展开 analysis 节点，右键单击前面添加的 setup1 求解设置项，在弹出菜单中单击【add frequency sweep】，打开、edit sweep 对话框。 在该对话框中，sweep type 项选择interpolating，frequency set

11、up 项作如下表所示的设置。其他项保持默认设置不变，然后单击edit sweep 对话框的ok按钮完成扫频设置，此时 即在setup1 节点下添加了一个名称为 sweep1 的扫频设置项，typelinearsetupstart8ghzstop10ghzstep size0.01ghz利用设计检查验证窗口，检验设计的完整性和正确性。从主菜单栏选择【hfss】【analyze all】，运行仿真分析。2.4.3图形化显示s 参数计算结果单击result项，选择【create modal solution data report】【rectangular plot】，绘制出 s11、s12、s13

12、幅度随频率变化的曲线。2.4.4表面电场分布选择【hfss】【fields】【plot fields】【e】【mag_e】，打开create filed plot 对话框，对话框所有设置保持默认不变，单击按钮，此时在选中的 t 形波导上表面会显示出场分布情况。12.4.5结果显示 h-t分支s参数幅度随频率变化 h-t波导表面电场分布图双t分支模型s参数幅度随频率变化曲线 1 、2侧臂等幅同相输 e臂输入 h臂输入 双t分支规律总结：信号从e臂输入时，h臂无输出，端口1、2输出等幅反相位波；信号从h臂输入时，e臂无输出，端口1、2输出等幅同相位波；从1、2侧臂输入等幅同相信号时，h臂有输出，e

13、臂无输出。 2.5模型优化的设计利用参数扫描分析功能，分析在工作频率为10ghz时，t形波导3个端口的信号能量大小随隔片位置变量offset的变化关系； 利用hfss的优化设计功能，找出隔片的准确位置，使得在10ghz工作频点，t形波导端口3的输出功率是端口2输出功率的2倍.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；当隔片位置变量offset超过0.3英寸时，端口1的反射明显增加，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优化范围的最大值为0.3英寸。同时在变量offset=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2倍。优化结果： 由上图可以看出，当变量offset=0.095英寸时，目标函数（cost）小于设定的目标值0.0001，达到优化目标，即当变量offset=0.095英寸时，t形波导端口3的输出功率是端口2 的两倍。优化后 双t分支表面分布图优化后t形波导端口3的输出功率是端口2 的两倍。三、结论通过这次三级项目，我们加深了对波导