實(shí)驗八-波導(dǎo)縫隙陣天線的設(shè)計與仿真(共9頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(shí)驗八 波導(dǎo)縫隙陣天線的設(shè)計與仿真一、實(shí)驗?zāi)康?.設(shè)計一個波導(dǎo)縫隙陣天線2.查看并分析波導(dǎo)縫隙陣天線的二、實(shí)驗設(shè)備裝有HFSS 13.0軟件的筆記本電腦一臺三、實(shí)驗原理波導(dǎo)縫隙陣具有口面效率高、副瓣電平低等優(yōu)良的性能。這里考慮寬邊縱向諧振式駐波陣列，每個縫隙相距0.5g，距離波導(dǎo)寬邊中心有一定偏移。Stevenson給出寬邊上縱向并聯(lián)縫隙的電導(dǎo)為其中，x為待求的偏移，a為波導(dǎo)內(nèi)壁寬邊長度，g為波導(dǎo)波長。在具體的設(shè)計中，可以利用HFSS的優(yōu)化功能來確定縫隙的諧振長度。首先確定在諧振縫隙設(shè)計中存在的幾個變量，主要有縫隙偏移波導(dǎo)中心線的距離Offset，縫隙的長度L，縫隙的

2、寬度W等。一般可根據(jù)實(shí)際的加工確定出縫隙的寬度W，應(yīng)用HFSS的優(yōu)化功能得出縫隙的偏移量Offset和縫隙長度Length。如圖1所示，在波端口的Y矩陣參數(shù)可以等效于距檢測端口的1/2個波導(dǎo)波長的縫隙中心的Y矩陣參數(shù)，根據(jù)波導(dǎo)縫隙的基本設(shè)計理論，在諧振時縫隙的等效阻抗或?qū)Ъ{為實(shí)數(shù)。因此，當(dāng)縫隙諧振時有Im(Y)=0。單縫諧振長度優(yōu)化示意圖如下：設(shè)計一個由20個縫隙組成的縫隙陣，采用Chebyshev電流分布，前10個縫的電平分布如下：根據(jù)電平分布進(jìn)行歸一化：可以得到K=0.。由下式可以得到各個縫隙的導(dǎo)納值:gn=Ka2n 各個縫隙的導(dǎo)納如下： g_1=0.，g_2=0.00846g_3=0.0

3、153，g_4=0.0265g_5=0.03867，g_6=0.0536g_7=0.0693，g_8=0.0833g_9=0.09465，g_10=0.選用WR-9型波導(dǎo)，其波導(dǎo)尺寸為：寬邊a=22.86mm，窄邊b=10.16mm。工作頻率為10GHz，工作波長=30mm，波導(dǎo)波長g=39.75mm。根據(jù)波導(dǎo)各個尺寸可得偏移量與導(dǎo)納之間的關(guān)系為由上述導(dǎo)納值可以求得各個縫隙的偏移量： 四、實(shí)驗內(nèi)容利用HFSS軟件設(shè)計波導(dǎo)縫隙陣天線。天線陣中心頻率為10GHz，選用WR-90型波導(dǎo)，其具體尺寸為：寬邊22.86mm，窄邊10.16mm，波導(dǎo)波長39.75mm。此設(shè)計過程可分為兩個子工程：子工程1

4、 在給定縫隙偏移量下優(yōu)化縫隙的諧振長度，可以利用該工程1 對各個縫進(jìn)行優(yōu)化；子工程2 建立含有所有縫隙的完整模型。最后得到該天線的二維和三維方向圖的仿真結(jié)果。五、實(shí)驗步驟子工程1：在給定縫隙偏移量下優(yōu)化縫隙的諧振長度1.建立新工程2.將求解類型設(shè)置為激勵求解類型：（1）在菜單欄中點(diǎn)擊HFSSSolution Type。（2）在彈出的Solution Type窗口中(a)選擇Driven Modal。(b)點(diǎn)擊OK按鈕。3.設(shè)置模型單位（1）在菜單欄中點(diǎn)擊3D ModelerUnits。（2）在設(shè)置單位窗口中選擇：mm。4.建立縫隙天線模型（1）建立波導(dǎo)。創(chuàng)建長方體模型Wave guide。長方

5、體的起始點(diǎn)位置坐標(biāo)：X：-11.43，Y：0.0，Z：0；長方體X、Y、Z三個方向的尺寸：dX：22.86，dY：29.8125，dZ：10.16（2）建立縫隙。(a)在菜單欄中點(diǎn)擊3DModelerCoordinate SystemCreateRelative CSOffset。(b)在坐標(biāo)輸入欄中輸入坐標(biāo)：X：0.0，Y：9.9375，Z：10.16(c)創(chuàng)建長方體模型Slot起始點(diǎn)位置坐標(biāo)：X：-0.5，Y：-7.0，Z：0.0；長方體X、Y、Z三個方向的尺寸：dX：1.0，dY：14.0，dZ：1.0(d)創(chuàng)建圓柱模型，該圓柱用來創(chuàng)建縫隙兩端的半圓形倒角。圓柱中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0.0，

6、Y：-7.0，Z：0.0；圓柱半徑：dX：0.5，dY：0.0，dZ：0.0；圓柱的高度：dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0(e)同樣地，建立另外一個圓柱，尺寸為：圓柱中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0.0，Y：7.0，Z：0.0；圓柱半徑：dX：0.5，dY：0.0，dZ：0；圓柱的高度：dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0(f)在操作歷史樹中利用Ctrl鍵選擇Slot、Cylinder1、Cylinder2，注意選擇的順序(f)創(chuàng)建的模型,在坐標(biāo)輸入欄中輸入坐標(biāo)：X：2.0，Y：-7.0，Z：0.0（3）建立Air(a)創(chuàng)建長方體模型。長方體的起始點(diǎn)位置坐標(biāo)：X：-25，Y：-10.0，Z：1

7、1.16；長方體X、Y、Z三個方向的尺寸:dX：50，dY：50，dZ：105.設(shè)置邊界條件（1）設(shè)置輻射邊界條件。（2）設(shè)置理想磁壁。6.設(shè)置激勵端口p17.設(shè)置工程變量將縫隙的長度和偏移量設(shè)置為工程變量，這樣可以在當(dāng)前給定的偏移量下，優(yōu)化仿真出縫隙的諧振長度。（1）添加工程變量。(a)在菜單欄中點(diǎn)擊ProjectProject Variables。(b)在Project Variables標(biāo)簽中選擇Value。(c)點(diǎn)擊Add添加工程變量$L，其值設(shè)為13.5mm。(d)繼續(xù)添加如下工程變量：$offset:2mm。（2）設(shè)置優(yōu)化變量。(a)在操作歷史樹中展開slot，雙擊Create B

8、ox，在對話窗口中將原尺寸改為：Position:-0.5mm，-$L/2，0mmX Size:1mmY Size:$LZ Size:1mm (b)展開slot中的Unite，雙擊Cylinder1中的Create Cylinder，在對話窗口中將原尺寸改為：Position:0mm，-$L/2，0mmRadius:0.5mmHeight:1mm (c)同樣地，雙擊Cylinder2中的Create Cylinder，在彈出的對話窗口中將原尺寸改為：Position:0mm，$L/2，0mmRadius:0.5mmHeight:1mm(d)雙擊Move，將Move Vector坐標(biāo)修改為$of

9、fset，0mm，0mm。 8.求解設(shè)置為該問題設(shè)置求解頻率，工作頻率為10GHz。(a)在菜單欄中點(diǎn)擊HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup。(b)在求解設(shè)置窗口中做以下設(shè)置：Solution Frequency:10.0GHzMaximum Number of Passes:15Maximum Delta S per Pass:0.029.保存工程10.求解該工程11.縫隙長度優(yōu)化（1）在菜單欄中點(diǎn)擊ProjectProject Variables，在對話框中選擇Optimization，選中待優(yōu)化變量$L，將優(yōu)化變量的范圍設(shè)置為13mm，15mm（2）在

10、菜單欄中點(diǎn)擊HFSSResultsOutput Variables，添加輸出變量cost。，首先點(diǎn)擊Insert Function，插入abs，點(diǎn)擊Report Type下拉菜單，選擇Modal Solution Data，點(diǎn)擊Solution下拉菜單，選擇Setup1:Last Adaptive，然后做如下設(shè)置：Category：Y ParameterQuantity：Y(WavePort1，WavePort1)Function：im點(diǎn)擊Insert Quantity Into Expression，然后點(diǎn)擊Done。 （3）在菜單欄中點(diǎn)擊OptimetricsAnalysisAdd Opt

11、imization。在Goal標(biāo)簽中點(diǎn)擊Add按鈕，添加優(yōu)化目標(biāo)，如圖5-2-60所示；在Calculation中點(diǎn)擊下拉菜單，選擇cost；在Condition中選擇Minimize。在Optimizer中可以選擇不用的優(yōu)化方法。（4）點(diǎn)擊HFSSAnalyze All，可以優(yōu)化在當(dāng)前$offset下縫隙的諧振長度。經(jīng)過計算，在$offset2mm時，諧振長度$L=13.69mm。 子工程2：所有縫隙的完整模型利用子工程1可以根據(jù)各個縫隙的偏移量優(yōu)化其諧振長度。這里為了方便建模，各個縫隙除去倒角的長度均選擇為13.6mm。讀者可以根據(jù)優(yōu)化結(jié)果詳細(xì)設(shè)置各個縫隙的長度。1.建立新工程為了方便創(chuàng)建

12、模型，在ToolsOptionsHFSS Options中將Duplicate boundaries with geometry復(fù)選框選中。 2.同子工程1一樣建立Wave guide其尺寸為：X：-11.43，Y：0.0，Z：0.0；dX：22.86，dY：407.435，dZ：10.163.同子工程1一樣建立Slot1在局部坐標(biāo)系下選擇Slot1。在坐標(biāo)輸入欄中輸入：X：0.0，Y：0.0，Z：0.0；dX：0.0，dY：19.875，dZ：0.0。在彈出的Duplicate a long line對話框中，設(shè)置復(fù)制的總數(shù)為20。根據(jù)各縫隙的偏移量依次沿X軸移動各個縫隙。4.設(shè)置Air在局

13、部坐標(biāo)系下的尺寸為：X：-20，Y：-20，Z：1.0；dX：40，dY：440，dZ：105.設(shè)置邊界條件6.求解設(shè)置在求解設(shè)置窗口中做以下設(shè)置：Solution Frequency:10.0GHzMaximum Number of Passes:15Maximum Delta S per Pass:0.027.保存工程8.求解該工程9.后處理計算（1）3D增益方向圖。(a)在Infinite Sphere標(biāo)簽中做以下設(shè)置：Phi:Start:0deg，Stop:360deg，Step:2degTheta:Start:0deg，Stop:180deg，Step:2deg(b)在菜單欄中點(diǎn)擊H

14、FSSResultsCreate Report。(c)在彈出的對話框中做以下設(shè)置：Report Type：Far Fields，Display Type：3DPolarPlot(d)在彈出的對話窗口中設(shè)置Mag標(biāo)簽：Category:Gain，Quantity:Gain Total，F(xiàn)unction:dB(e)點(diǎn)擊Add Trace按鈕（2）2D增益方向圖。(a)在菜單欄中點(diǎn)擊HFSSRadiationInsert Far Field SetupInfinite Sphere。(b)在Infinite Sphere標(biāo)簽中做以下設(shè)置：Phi:Start:90deg，Stop:90deg，Step

15、:0degTheta:Start:0deg，Stop:360deg，Step:1deg(c)在菜單欄中點(diǎn)擊HFSSResultsCreate Report。(d)在彈出的對話框中做以下設(shè)置：Report Type：Far Fields，Display Type：Radiation Pattern(e)在彈出的對話窗口中的Geometry下拉菜單中設(shè)置InfinteSphere2，在Sweep標(biāo)簽中將第一變量設(shè)置為Theta，在Mag標(biāo)簽中做以下設(shè)置：Category:Gain，Quantity:Gain Total，F(xiàn)unction:dB(f)點(diǎn)擊New Report按鈕六、實(shí)驗結(jié)果仿真圖如下：縫隙陣的3D增益方向圖如下:縫隙陣的2D遠(yuǎn)場方向圖如下:從上面的方向圖可以看出該縫隙陣的主瓣增益達(dá)到10.47dB，且呈現(xiàn)筆形波束。而第一副瓣約為-14.74d