【微波实验1】 T形波导的内场分析及优化设计

实验目的

熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步骤及工作流程。
掌握T型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原理。

实验仪器

1、装有windows 系统的PC 一台

2、 HFSS15.0 或更高版本软件

实验原理

本实验所要分析的器件是下图所示的一个带有隔片的T形波导。其中，波导的端口1是信号输入端口，端口2和端口3是信号输出端口。正对着端口1一侧的波导壁凹进去一块，相当于在此处放置一个金属隔片。通过调节隔片的位置可以调节在端口1传输到端口2，从端口1传输到端口3的信号能量大小，以及反射回端口1的信号能量大小。

实验步骤

1、新建工程设置：

运行HFSS并新建工程：打开 HFSS 软件后，自动创建一个新工程： Project1，由主菜单选 File\Save as ，保存在指定的文件夹内，命名为Ex1_Tee；由主菜单选 Project\ Insert HFSS Design，在工程树中选择 HFSSModel1，点右键，选择 Rename项，将设计命名为 TeeModel。

选择求解类型为模式驱动（Driven Model）：由主菜单选 HFSS\Solution Type ，在弹出对话窗选择Driven Model 项。

设置长度单位为in：由主菜单选 3D Modeler\Units ，在 Set Model Units 对话框中选中 in 项。

2、创建T形波导模型：

创建长方形模型：在 Draw 菜单中，点击 Box 选项，在Command 页输入尺寸参数以及重命名；在Attribute页为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数Transparent（透明度）将其设为0.8。Material（材料）保持为Vacuum。

设置波端口源励：选中长方体平行于 yz 面、x=2 的平面；单击右键，选择 Assign Excitation\Wave port项，弹出 Wave Port界面，输入名称WavePort1；点击积分线 (Integration Line) 下的 New line ，则提示绘制端口，在绘图区该面的下边缘中部即（2,0,0)处点左键，确定端口起始点，再选上边缘中部即(2,0,0.4)处，作为端口终点。

复制长方体：展开绘图历史树的 Model\Vacuum\Tee节点，右键点击Tee项，选择 Edit\Duplicate\Around Axis，在弹出对话窗的Axis项选择Z，在Angel项输入90deg，在 Total Number 项输入2，点OK，则复制、添加一个长方体，默认名为TEE_1。重复以上步骤，在Angel项输入-90，则添加第3个长方体，默认名Tee_2.

合并长方体：鼠标右键切换到物体选择状态。选中第1个长方体，按下 Ctrl键的同时选中第2、3个长方体，由主菜单选 3D Modeler\Boolean\Unite，则将三个长方体组合在一起，形成了一个T型接头。

创建隔片：绘制长方体：Draw/box命令任意创建一个长方体，确定位置参数：绘图工程树双击CreateBox1在属性对话窗口的 Command 页，在Position项输入-0.45in , offset-0.05in , 0in，调整长方体尺寸；由 T 型接头中减去间隔：在历史树中选择 Tee 项，按下Ctrl 键的同时再选中Septum项。由主菜单选3D Modeler\Boolean\Subtract ，在弹出对话窗口中，确定Tee在Blank Parts列，Septum在Tool Parts列（即将间隔从型接头中去掉），点OK完成。

3、分析求解设置：

在工程树中，找到 TeeModel\Analysis 节点，点右键，选择Add Solution Setup ，弹出对话窗。在 General 标签页的Solution 项输入10，默认单位为GHz，在 Adaptive Solutions的 Maximum Number of Passes 项设为3，其它不变，点击确定。

添加扫频设置：在工程树中的Setup1项上点右键，选择Add Frenquency Sweep，在弹出对话窗中选择General项，其它具体设置默认不变；在Type栏选择Linear Step，定义频率范围为：8～10GHz，阶长0.05GHz，点OK完成。

设计检查：主菜单选HFSS\Validation Check，则弹出确认检查窗口，对设计进行确认。全部完成且没有错误时，点Close结束。

4、运行仿真分析：

由主菜单选HFSS\Analyze all，对设计的模型进行三维场分析求解。求解全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。

5、查看仿真分析计算结果：

创建一个S参数的矩形曲线图；创建一个电场视图；创建动态演示场覆盖图

内场分析结果

图形化显示S参数计算结果

图形化显示S参数幅度随频率变化的曲线

2.查看表面电场分布

表面场分布图

3、动态演示场分布图

实验目的

1、熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步骤及工作流程。

2、掌握T型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原理。

实验仪器

1、装有windows 系统的PC 一台

2、 HFSS15.0 或更高版本软件

3、截图软件

实验原理

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着隔片位置变量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形波导商品3的输出功率是端口2输出功率的两倍。

实验步骤

1、新建一个优化设计工程；

由主菜单选File\Open，打开第二部分所创建的Ex1_Tee.hfss文件。由主菜单选 File\Save as，保存在自建文件夹内，命名为OptimTee.hfss，删除频率扫描。

2、参数扫描分析设置和仿真分析：

在工程树中选Optimetrics项上点右键，选择Add\Parametrie项添加参数扫描分析项。

定义参数：添加变量扫描定义：在对话窗的 Sweep Definitions 标签页，点击Add，在新弹出窗口中已经默认调节变量为offset选择Linear step项，变量范围设为0～1，阶长为0.1，单位均为 in，点击 Add，则在窗口右侧加入调节变量及其设置。点OK。

定义输出变量：在Calculations标签页（注：设置页面可以在工程树下Opimetrics/ParametricSetup1打开），点击左下角Setup Calculation，则弹出Add/Edit Calculations对话窗。点击左下角Output Variables，弹出Output Variables对话框，定义Power11、Power21、Power31变量.

运行参数扫描分析：在工程树中的ParametricSetup1项上点击右键，选择Analyze，对参数设置中变量扫描定义的每一个变量进行3D场分析求解。全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。

创建S参数与Offset变量的关系曲线图：在工程树的 Results项点右键，选择Create Modal data Report项选择Rectangular Plot，点OK完成，则弹出对话窗默认选择Trace选项。

3、优化设计：

添加优化变量：由主菜单选HFSS\Design Properties，在弹出对话窗选择Optimization项，在offset栏勾选Include项，点击确定完成。

添加目标函数：这里的优化目标是端口3的输出功率是端口2的2倍，目标函数为：Power31-2*Power21=0。优化设置的对话框下在 Goals 标签页，点击左下角Setup Calculation选项，弹出Add/Edit Calculation对话框，点击左下角Output vadiables，创建新的一个目标变量，Name栏中为：Cost，通过Insert into Expression选项在Expression栏中写入表达式：Power31-2*Power21。然后点击Add，最后点击右下方Done。返回到Add/Edit Calculation对话框，点击下方Add Calculation，添加目标变量到Setup Optimization对话框Cost中。

设置优化变量的取值范围：选择Variables标签页，在Variable列只有offset变量，勾选Override项，在starting Value列输入0.1。Min中：0，Max中：0.3,offset变化范围在0到0.3in之间。

运行优化分析：在工程树的 OptimizationSetup1 项上点右键，选择Analyze，进行优化分析。此过程需要几分钟，可进行下面的实验步骤。在工程树的OptimizationSetup1项上点右键，选择View Analysis Result，察看优化结果。

实验结果

创建功率分配随变量Offset变化的关系图

输出变量随变量Offset变化的关系图

分析：从上图所示的图可以看出，当变量Offset值逐渐变大时，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0.4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优化范围的最大值为0.4英寸。同时，在Offset=0.08英寸时，端口3的输出功率为0.60，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的优化初始值为0.08也即1英寸。另外，变量Offset优化范围的最小值可以取0英寸。

2、表面电场随变量Offset变化