實(shí)驗(yàn)一：T型波導(dǎo)內(nèi)部仿真場(chǎng)分析與優(yōu)化

1、專業(yè) 通信工程專業(yè)學(xué)號(hào)姓名實(shí)驗(yàn)一： T型波導(dǎo)內(nèi)部仿真場(chǎng)分析與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)?zāi)康?:理解和分析T 型波導(dǎo)分支內(nèi)部電磁場(chǎng)分布及優(yōu)化方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1. 建立一個(gè)T型波導(dǎo)模型，利用HSFF軟件求解，分析，觀察T型導(dǎo)波的場(chǎng)分布情況。2. 使用HFSS進(jìn)行T型波導(dǎo)功分器的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行參數(shù)分析掃描，利用HFSS的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)3 端口輸出功率為2 端口輸出功率的 2 倍、 3 倍。 然后用重新設(shè)計(jì)端口激勵(lì)端，使端口端2 為激勵(lì)端，端口 3 的輸出為端口1 的 2 倍。實(shí)驗(yàn)原理：T 型波導(dǎo)功分器又叫T 型波導(dǎo)分支器，它能將波導(dǎo)能量從主波導(dǎo)中分路接出，它是微波功率分配器件的一種。此次設(shè)計(jì)H面 T型分支，使得

2、從 1 端口輸入的功率可以平均的分配給端口2、 3，使得2、 3 端口的 TE10波為等幅同向。同時(shí)， 通過(guò)設(shè)置隔片改變各端口的功率分配。進(jìn)行掃頻設(shè)置，觀察S參數(shù)曲線和電場(chǎng)分布。實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果：一、新建工程設(shè)置1 運(yùn)行HFSS并新建工程雙擊桌面上的HFSS快捷方式，啟動(dòng)HFSS軟件。HFSS啟動(dòng)后，會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)默認(rèn)名稱為Project1 的新工程和名稱為HFSSDesign1的新設(shè)計(jì)。從主菜單欄選擇命令【 File 】 【 SaveAs】 ， 把工程文件另存為Tee.hfss然后右鍵單擊HFSSDesign1，從彈出菜單中選擇【Rename】命令項(xiàng)，把設(shè)計(jì)文件HFSSDesign1重新命名為

3、TeeModal。2選擇求解類型從主菜單欄選擇【HFSS】【SolutionType 】 ，打開(kāi) SolutionType 對(duì)話框，選中DrivenModal 單選按鈕，單擊OK按鈕。3設(shè)置長(zhǎng)度單位從主菜單欄選擇【Modeler】【Units 】 ，打開(kāi) SetModelUnits 對(duì)話框，選擇英寸（in ）單位，單擊OK按鈕。此時(shí)，設(shè)置了建模時(shí)的默認(rèn)長(zhǎng)度單位，即英寸。二：創(chuàng)建T形波導(dǎo)模型1 創(chuàng)建長(zhǎng)方體（ 1） 從主菜單欄選擇【 Tools】 【 Options 】 【 ModelerOptions 】 ，打開(kāi) 3DModelerOptions 對(duì)話框，選擇Drawing 選項(xiàng)卡，確認(rèn)選中Ed

4、itPropertiesofnewprimitives 復(fù)選框，然后單擊確定按鈕。（ 2）從主菜單欄選擇【Draw】【Box】 ，或者單擊工具欄的快捷按鈕，進(jìn)入創(chuàng)建長(zhǎng)方體模型的工作狀態(tài)，移動(dòng)鼠標(biāo)光標(biāo)到HFSS工作界面的右下角狀態(tài)欄，在狀態(tài)欄輸入長(zhǎng)方體的起始點(diǎn)坐標(biāo)為（ 0， 0.45，0） 。按下回車鍵確認(rèn)后，在狀態(tài)欄輸入長(zhǎng)方體的長(zhǎng)（dx） 、寬（dy） 、高（dz）分別為2、 0.9、 0.4。再次按下回車鍵確認(rèn)后，會(huì)彈出新建長(zhǎng)方體的“屬性”對(duì)話框；通過(guò)屬性對(duì)話框可以設(shè)置和修改物體的位置、尺寸、名稱、材料和透明度等屬性。這里選擇Attribute 選項(xiàng)卡，將長(zhǎng)方體名稱項(xiàng)（Nam）改為eTee，

5、 長(zhǎng)方體材料屬性（ Material ） 保持為真空（ vacuum） 屬性不變；單擊 Transparent 項(xiàng)的數(shù)值條，在彈出窗口中移動(dòng)滑動(dòng)條設(shè)置其值為0.4，以提高長(zhǎng)方體的透明度。設(shè)置完成后，單擊對(duì)話框下方的按鈕，退出屬性對(duì)話框。此時(shí)，即創(chuàng)建好了一個(gè)頂點(diǎn)位于（0， 0.45， 0） ，長(zhǎng)、寬、高為2、 0.9、 0.4 的長(zhǎng)方體模型。按下快捷鍵Ctrl+D ，軟件會(huì)適合窗口大小全屏顯示物體模型。2設(shè)置波端口激勵(lì)（ 1）按F 鍵切換到面選擇狀態(tài)，單擊選中長(zhǎng)方體上位于x=2 處平行于 yz 面的平面，選中的平面會(huì)高亮顯示。（ 2 ）在三維模型窗口內(nèi)單擊右鍵，從彈出的快捷菜單中選擇【 Assi

6、gnExcitation 】【W(wǎng)avePort】 ，打開(kāi)波端口設(shè)置對(duì)話框，在Name項(xiàng)輸入端口名稱Port1 ，單擊按鈕；在新窗口中單擊打開(kāi)IntegrationLine 下方的下拉列表框，選擇NewLine選項(xiàng)，設(shè)置端口的積分校準(zhǔn)線。（ 3）選中并單擊NewLine后，進(jìn)入端口積分線繪制狀態(tài)。此時(shí)移動(dòng)鼠標(biāo)光標(biāo)到前面所選中并高亮顯示的平面下邊緣的中間位置，即坐標(biāo)（ 2， 0， 0）處，單擊鼠標(biāo)左鍵，確定積分線的起始點(diǎn)；然后再移動(dòng)鼠標(biāo)光標(biāo)到該平面上邊緣的中間位置，即坐標(biāo)（2， 0， 0.4）處，再次單擊鼠標(biāo)，確定積分線的終止點(diǎn)，完成積分線設(shè)置。積分線設(shè)置完成后，會(huì)自動(dòng)回到前面打開(kāi)的波端口設(shè)置對(duì)話

7、框，對(duì)話 框余下各項(xiàng)都保持默認(rèn)設(shè)置不變，一直單擊下一步按鈕，直至完成。設(shè)置好的波端口。3復(fù)制長(zhǎng)方體（ 1）從主菜單欄選擇【Tools 】【 Options 】【HFSSOptions】 ，打 開(kāi) HFSSOptions 對(duì) 話 框 ， 選 擇 General 選 項(xiàng) 卡 ， 選 中 Duplicateboundarieswithgeometry 復(fù)選框，然后單擊確定按鈕。（ 2）復(fù)制長(zhǎng)方體創(chuàng)建T 形波導(dǎo)的第二個(gè)臂。展開(kāi)操作歷史樹(shù)，單擊選擇Tee節(jié)點(diǎn)，即可選中剛剛新建的名稱為Tee的長(zhǎng)方體。從主菜單欄選擇【Edit 】【 Duplicate 】【 AroundAxis】 ，打開(kāi)Duplicate

8、AroundAxis 對(duì)話框，進(jìn)行復(fù)制物體的操作。對(duì)話框中的Axis 項(xiàng)選擇Z， Angle 項(xiàng)輸入90deg， Totalnumber 項(xiàng)輸入2，單擊對(duì)話框下方的按鈕，即可復(fù)制生成一個(gè)與z軸成90°夾角、名稱為 Tee_1的長(zhǎng)方體。該長(zhǎng)方體繼承了長(zhǎng)方體Tee的所有屬性，包括尺寸、材料屬性、激勵(lì)端口設(shè)置等。（ 3）復(fù)制長(zhǎng)方體創(chuàng)建T 形波導(dǎo)的第三個(gè)臂。重復(fù)上面的復(fù)制操作，在 Angle 項(xiàng)輸入90deg，即可復(fù)制生成第三個(gè)長(zhǎng)方體，復(fù)制生成的第三個(gè)長(zhǎng)方體的默認(rèn)名稱為Tee_2， Tee_2是由Tee沿 z 軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°復(fù)制而成的。按快捷鍵Ctrl+D ，讓物體適中顯示。4

9、合并長(zhǎng)方體（ 1） 從主菜單欄選擇【 Tools】 【 Options 】 【 ModelerOptions 】 ，打開(kāi) 3DModelerOptions 對(duì)話框，選擇Operation 選項(xiàng)卡，確認(rèn)復(fù)選框未被選中。Clonetoolobjectsbeforeunite（ 2）單擊鍵盤上的O鍵，切換到物體選擇狀態(tài)，單擊物體選中第一個(gè)長(zhǎng)方體Tee，接著按下Ctrl 鍵同時(shí)選中第二個(gè)長(zhǎng)方體Tee_1 和第三個(gè)長(zhǎng)方體Tee_2，確保3 個(gè)長(zhǎng)方體都被選中之后，從主菜單欄選擇【 3DModeler】【Boolean】【 Unite 】命令或者單擊工具欄的快捷按鈕，執(zhí)行合并操作，將3 個(gè)長(zhǎng)方體合并生成一個(gè)

10、T形物體模型，合并后的物體名稱和屬性與第一個(gè)被選中的物體相同。5創(chuàng)建隔片（ 1）創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體。從主菜單欄選擇【Draw】【Box】 ，進(jìn)入新建長(zhǎng)方體工作狀態(tài)。移動(dòng)鼠標(biāo)光標(biāo)在三維模型窗口任選一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在 xy 面展開(kāi)成長(zhǎng)方形，單擊確定；再沿著z 軸移動(dòng)鼠標(biāo)光標(biāo)展開(kāi)成長(zhǎng)方體，單擊確定，完成后彈出屬性對(duì)話框。（ 2）設(shè)置長(zhǎng)方體的位置和尺寸。在“屬性”對(duì)話框的Command選項(xiàng)卡界面，Position 欄輸入 "0.45in ， Offset-0.05in ， 0in" ，設(shè)置長(zhǎng)方體的起始點(diǎn)位置，按回車鍵確定，此時(shí)會(huì)彈出AddVariable 對(duì)話框，要求設(shè)置變量Offset

11、的初始值，在Value 欄處輸入“0in ”，然后單擊 OK，返回屬性對(duì)話框。在 Xsize、 Ysize 和 Zsize 欄處分別輸入0.45、 0.1 和 0.4，設(shè)置長(zhǎng)方體的長(zhǎng)寬高尺寸。然后，選擇屬性對(duì)話框的Attribute 選項(xiàng)卡，在Name欄處輸入長(zhǎng)方體的名稱Septum，單擊完成。此時(shí)，在T形波導(dǎo)內(nèi)部添加了一個(gè)小長(zhǎng)方體。（ 3）相減操作。展開(kāi)操作歷史樹(shù)，首先選中Tee，按下Ctrl 鍵的同時(shí)再選中Septum，確認(rèn)Tee和 Septum都被選中；之后，從主菜單欄選擇【3DModeler】【Boolean】【 Subtract 】命令或者單擊工具欄的按鈕，打開(kāi)相減操作對(duì)話框。確認(rèn)對(duì)

12、話框中Tee 在 BlankParts欄，Septum在 ToolParts 欄， 表明是從模型Tee中去掉模型Septum。單擊OK按鈕執(zhí)行相減操作。相減操作完成后，創(chuàng)建出完整的T 形波導(dǎo)。三：分析求解設(shè)置1 添加求解設(shè)置在工作界面左側(cè)的工程管理窗口( ProjectManager ) 中， 展開(kāi) TeeModal設(shè)計(jì)，選中Analysis 節(jié)點(diǎn)，單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中單擊【 AddSolutionSetup 】 ，打開(kāi)求解設(shè)置對(duì)話框。在該對(duì)話框中，SolutionFrequency 項(xiàng)輸入 10，默認(rèn)單位為GHz，其他項(xiàng)都保持默認(rèn)設(shè)置不變，單確定按鈕擊結(jié)束。此時(shí)，就在工程管理窗口An

13、alysis節(jié)點(diǎn)下添加了一個(gè)名稱為Setup1 的求解設(shè)置項(xiàng)。2添加掃頻設(shè)置在工程管理窗口中，展開(kāi) Analysis 節(jié)點(diǎn)， 右鍵單擊前面添加的Setup1求解設(shè)置項(xiàng)，在彈出菜單中單擊【AddFrequencySweep】，打開(kāi)EditSweep 對(duì)話框。 在該對(duì)話框中，SweepType項(xiàng)選擇Interpolating ，F(xiàn)requencySetup 項(xiàng)設(shè)置。其他項(xiàng)保持默認(rèn)設(shè)置不變，然后單擊EditSweep 對(duì)話框的OK按鈕完成掃頻設(shè)置，此時(shí)即在Setup1 節(jié)點(diǎn)下添加了一個(gè)名稱為Sweep1的掃頻設(shè)置項(xiàng)。Type： LinearSetupStart ： 8GHzStop： 10GHzSt

14、epSize ： 0.01GHz3檢查設(shè)計(jì)設(shè)置從主菜單欄選擇【HFSS】【ValidationCheck 】 ，彈出設(shè)計(jì)檢查驗(yàn)證窗口，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的完整性和正確性。4仿真運(yùn)行設(shè)置從主菜單欄選擇【HFSS】【AnalyzeAll 】 ，運(yùn)行仿真分析。在分析求解過(guò)程中，工作界面右下方的進(jìn)度窗口會(huì)顯示求解進(jìn)度。求解運(yùn)算需要幾分鐘的時(shí)間，求解運(yùn)算完成后，在工作界面左下方的信息管理窗口會(huì)顯示求解完成信息。四： 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及總結(jié)：1 圖形化顯示S 參數(shù)計(jì)算結(jié)果右鍵單擊工程管理窗口中工程樹(shù)下的Results 項(xiàng)， 在彈出的菜單中選擇【 CreateModalSolutionDataReport 】【 Rect

15、angularPlot 】 ，打開(kāi)如圖 2.31 所示的結(jié)果報(bào)告設(shè)置對(duì)話框。在對(duì)話框的左側(cè)，Solution 項(xiàng)選擇Setup1:Sweep1， Domain項(xiàng)選擇Sweep；在對(duì)話框的右側(cè)，X 項(xiàng)選擇 Freq，在 Category 列選擇SParameter， 在 Quantity 列按下 Ctrl 鍵的同時(shí)選擇S(Port1,Port1)S(Port1,Port2) 、 S(Port1,Port3) 項(xiàng)，在 Function 列選擇mag，其他保持默認(rèn)設(shè)置不變。然后單擊按鈕，即可繪制出S11、 S12、 S13幅度隨頻率變化的曲線。繪制生成的結(jié)果顯示報(bào)告會(huì)自動(dòng)添加到工程樹(shù)的Results

16、 節(jié)點(diǎn)下， 其默認(rèn)名稱為XYPlot1 。2查看表面電場(chǎng)分布雙擊工程樹(shù)下的設(shè)計(jì)名稱TeeModal，返回三維模型窗口。在三維模型窗口中單擊右鍵，從右鍵彈出菜單中選擇【SelectFaces 】命令，進(jìn)入面選擇狀態(tài)；單擊選中T形波導(dǎo)模型的上表面。選中的模型表面會(huì)高亮顯示。從主菜單欄選擇【HFSS】【Fields 】【 PlotFields 】【E】【 Mag_E】 ， 打開(kāi) CreateFiledPlot 對(duì)話框， 對(duì)話框所有設(shè)置保持默認(rèn)不變， 單擊按鈕，此時(shí)在選中的T形波導(dǎo)上表面會(huì)顯示出場(chǎng)分布情況；同時(shí)， 在工程樹(shù)的FieldOverlays 節(jié)點(diǎn)下會(huì)自動(dòng)添加該場(chǎng)分布圖，其默認(rèn)名稱為Mag_E

17、1。3動(dòng)態(tài)演示場(chǎng)分布圖在工程樹(shù)的Mag_E1項(xiàng)上單擊右鍵，從彈出菜單中選擇【Animate】 ，打開(kāi)動(dòng)畫演示設(shè)置對(duì)話框，對(duì)話框各項(xiàng)設(shè)置保持默認(rèn)不變，單擊按鈕，則可以觀察到T形波導(dǎo)表面的場(chǎng)分布開(kāi)始動(dòng)態(tài)變化；同時(shí)， 在工作界面左上角的還會(huì)打開(kāi)Animation 對(duì)話框， 通過(guò)該對(duì)話框可以控制動(dòng)態(tài)顯示的進(jìn)程，包括停止、開(kāi)始和演示速度等。優(yōu)化分析1. 新建一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程（ 1）打開(kāi)已保存的工程文件Tee.hfss ，并另存為OptimTee.hfss.（ 2）刪除上節(jié)課添加的掃描設(shè)置頻（Sweep1）.2. 參數(shù)掃描分析設(shè)計(jì)和仿真設(shè)計(jì)使用 Optimetrics 模塊的參數(shù)掃描分析功能，分析波導(dǎo)端口

18、的輸出功率和隔片位置之間的關(guān)系。1）添加參數(shù)掃描變量2）定義輸出變量定義三個(gè)輸出變量Power1、 Power2、 Power3，分別代表端口1、端2 和端口 3 的輸入輸出功率。3）參數(shù)掃描分析求解完成上面的工作，檢查沒(méi)有錯(cuò)誤就可以進(jìn)行仿真運(yùn)算了。3. 查看參數(shù)掃描分析結(jié)果1）創(chuàng)建功率分配隨便量Offset 變化的關(guān)系圖繪出輸出變量Power11、 Power21、 Power31 與變量 Offset 的關(guān)系曲線報(bào)告。如圖由圖可以分析出在后面的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以設(shè)置Offset 優(yōu)化范圍最大值 0.3，優(yōu)化初始值為0.1 ，另外優(yōu)化范圍的最小值可以去0英寸2）動(dòng)態(tài)演示場(chǎng)分布隨著變量Offse

19、t 的變化4. 優(yōu)化設(shè)計(jì)添加優(yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，求出隔片位置，使端口3 的輸出功率是端口2 的 2 倍。（ 1）添加優(yōu)化變量2）優(yōu)化設(shè)置3）添加目標(biāo)函數(shù)這里優(yōu)化設(shè)計(jì)要達(dá)到的目的是當(dāng)工作頻率為10GHz時(shí)，端口32 的 2 倍； 使用前面定義的輸出變量，設(shè)置目標(biāo)函Power31-2*Power21=0（ 4）設(shè)置優(yōu)化變量的取值范圍設(shè)定 Offset 的優(yōu)化范圍為03 英寸（ 5）設(shè)置優(yōu)化變量（ 6）運(yùn)行優(yōu)化分析5. 查看優(yōu)化結(jié)果（ 1）目標(biāo)函數(shù)與運(yùn)算迭代次數(shù)的關(guān)系曲線圖在 HFSS優(yōu)化分析過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)每一次迭代機(jī)選的變量值和目標(biāo)函數(shù)， 觀察目標(biāo)函數(shù)是否收斂以及何時(shí)達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。查看每一次迭代計(jì)算對(duì)應(yīng)的變量值和函數(shù)值。2）查看優(yōu)化后的場(chǎng)分布圖右鍵單擊工程樹(shù)ANALYSIS節(jié)點(diǎn)下的