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文档简介

电磁工程设计与仿真第三章微波无源器件

设计、仿真与优化主要内容3.2波导T接头的仿真3.1波导T接头的原理3.3波导T接头的优化3.4波导魔T的仿真3.1波导T接头的原理一、功分器的基本特性功率分配器(功分器)是无源三端口器件.特性:所有端口都匹配的三端口无耗互易网络是不可能的。三个条件任意一个条件放宽,则可以实现:若三端口网络非互易,则所有端口可匹配,并无耗。若无耗互易的三端口网络只有两个端口匹配,可实现。若三端口网络有耗,则该网络互易,全部端口可匹配。二、波导H-T,E-T3臂:H壁1,2臂:平分臂分支在主波导TE10磁场(H)平面内,因此称H-T1.波导H-T功率分配功能:1233臂自身有反射,若在该分支波导加入匹配装置,可使3臂匹配,入射功率全部从1、2臂平分输出。3臂输入时,从1/2臂等幅、同相输出;1.波导H-T应用:波导功率分配网络1臂输入时,2、3臂输出;1、2臂不隔离。2臂输入时,1、3臂输出;1、2臂不隔离。1231231.波导H-T问题:1,2不隔离有何影响?求和功能:123信号1信号2信号1+信号2两信号分别从1、2臂输入,且到达分支波导中轴T面时相位相同,则3臂输出两信号之和,称为和信号。T1.波导H-T求差功能:123信号1信号2信号1-信号2两信号分别从1、2臂输入,且到达分支波导中轴T面时相位相反,则3臂输出两信号之差,称为差信号。

若此时两信号等幅,则3臂无输出;T1.波导H-T2.波导E-T21,2:平分臂3:E臂分支在主波导TE10电场(E)平面内,因此称E-T功率分配功能:2133臂自身有反射,但若在该臂加入匹配装置,可使3臂匹配,入射能量全部从1、2臂平分输出。3臂输入时,从1、2臂等幅、反相输出;2.波导E-T1臂输入时,2、3臂输出;1、2臂不隔离。1231232臂输入时,1、3臂输出;1、2臂不隔离。2.波导E-T求差功能:123两信号分别从1、2臂输入,且到达分支波导中轴T面时相位相同,则3臂输出两信号之差,称为差信号。信号1-信号2信号1信号2

若两输入信号等幅,则3臂无输出。T2.波导E-T求和功能:两信号分别从1、2臂输入,且到达分支波导中轴T面时相位相反,则3臂输出两信号之和,称为和信号。123信号1+信号2信号1信号2T2.波导E-T3.T接头匹配波导T等效模型:T形结并联导纳:忽略B=0,且Z1=Z2=Z0,输入不匹配。3.波导H-T匹配3臂匹配方法:隔片匹配切角匹配销钉匹配根据三端口特性:由于H-T互易无耗,当3臂匹配时,1,2臂肯定不匹配。三.双T和魔T(1)双T根据E-T,H-T特性,双T特性:①输入:②③等幅同相输出,

④隔离;④输入:②③等幅反相输出,

①隔离;②③输入:①输出和信号,

④输出差信号;“①④臂隔离”原因:243T4臂输入的TE10模式关于中轴面T反对称,而1臂中TE10模式关于中轴面T对称,故相互不能激励。1臂(4臂)输入的TE10模可以在4臂(1臂)中激励起高次模,但高次模式不能传输,不能输出。4输入,1隔离243T1输入,4隔离(1)双T(2)魔T234(E)1(H)调配装置魔T=匹配双T(3)隔离性:①④隔离;②③隔离;

主要特性:匹配性:每个端口匹配;①④匹配,②③自动匹配;(2)平分性:

①输入:②③等幅同相输出;

④输入:②③等幅反相输出;②③输入:④=差,①=和;单脉冲雷达和差网络:ΣΔΣΔΣΣΔ(3)魔T的应用和波束差波束俯仰差和激励方位差测角功能(3)魔T的应用ΣΔΣΔ3.2波导T接头的仿真1.T接头仿真要求:波导尺寸:a=0.90in,b=0.4in隔片尺寸:W=0.45in,t=0.1in,offset=0or0.2in频率范围:8-10GHz分析端口反射和功率分配情况,为优化提供支持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将T接头Copy,Paste,另存新设计: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波导T接头的优化1.UsingOptimetricswithHFSSOptimetricsenablesyoutodeterminethebestdesignvariationamongadesign’spossiblevariations.Parametric:

Defineoneormorevariablesweepdefinitions,

HFSSsolvesthedesignateachvariation.Optimization:

Identifythecostfunctionandoptimizationgoal.Optimetricschangesparametertomeetthatgoal.Sensitivity:

Optimetricsdeterminethesensitivityofthedesigntosmallchangesinvariables.Tuning:

Variablevaluesarechangedinteractivelyandtheperformanceofthedesignismonitored.Statistical:

Optimetricsdeterminesthedistribution,causedbystatisticaldistributionofvariablevalues.3.3波导T接头的优化2.T优化优化要求:波导尺寸:a=0.9in,b=0.4in隔片尺寸:width=0.45in,thick=0.1in频率范围:10GHz优化参数:offset优化目标:|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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