实验一：T型波导内部仿真场分析与优化

专业通信工程专业学号姓名实验一：T型波导内部仿真场分析与优化实验目的:理解和分析T型波导分支内部电磁场分布及优化方法。实验内容：1.建立一个T型波导模型，利用HSFF软件求解，分析，观察T型导波的场分布情况。2.使用HFSS进行T型波导功分器的优化设计实现，进行参数分析扫描，利用HFSS的优化设计功能实现3端口输出功率为2端口输出功率的2倍、3倍。然后用重新设计端口激励端，使端口端2为激励端，端口3的输出为端口1的2倍。实验原理：T型波导功分器又叫T型波导分支器，它能将波导能量从主波导中分路接出，它是微波功率分配器件的一种。此次设计H面T型分支，使得从1端口输入的功率可以平均的分配给端口2、3，使得2、3端口的TE10波为等幅同向。同时，通过设置隔片改变各端口的功率分配。进行扫频设置，观察S参数曲线和电场分布。实验步骤及结果：一、新建工程设置1．运行HFSS并新建工程双击桌面上的HFSS快捷方式，启动HFSS软件。HFSS启动后，会自动创建一个默认名称为Project1的新工程和名称为HFSSDesign1的新设计。专业通信工程专业学号姓名从主菜单栏选择命令【File】→【SaveAs】，把工程文件另存为Tee.hfss。然后右键单击HFSSDesign1，从弹出菜单中选择【Rename】命令项，把设计文件HFSSDesign1重新命名为TeeModal。2．选择求解类型从主菜单栏选择【HFSS】→【SolutionType】，打开SolutionType对话框，选中DrivenModal单选按钮，单击OK按钮。3．设置长度单位从主菜单栏选择【Modeler】→【Units】，打开SetModelUnits对话框，选择英寸（in）单位，单击OK按钮。此时，设置了建模时的默认长度单位，即英寸。二：创建T形波导模型1．创建长方体（1）从主菜单栏选择【Tools】→【Options】→【ModelerOptions】，打开3DModelerOptions对话框，选择Drawing选项卡，确认选中EditPropertiesofnewprimitives复选框，然后单击确定按钮。（2）从主菜单栏选择【Draw】→【Box】，或者单击工具栏的快捷按钮，进入创建长方体模型的工作状态，移动鼠标光标到HFSS工作界面的右下角状态栏，在状态栏输入长方体的起始点坐标为（0，0.45，0）。按下回车键确认后，在状态栏输入长方体的长（dx）、宽（dy）、高（dz）分别为2、0.9、0.4。再次按下回车键确认后，会弹出新建长方体的“属性”对话框；通过属性对话框可以设置和修改物体的位置、尺寸、名称、材料和透明度专业通信工程专业学号姓名等属性。这里选择Attribute选项卡，将长方体名称项（Name）改为Tee，长方体材料属性（Material）保持为真空（vacuum）属性不变；单击Transparent项的数值条，在弹出窗口中移动滑动条设置其值为0.4，以提高长方体的透明度。设置完成后，单击对话框下方的按钮，退出属性对话框。此时，即创建好了一个顶点位于（0，0.45，0），长、宽、高为2、0.9、0.4的长方体模型。按下快捷键Ctrl+D，软件会适合窗口大小全屏显示物体模型。2．设置波端口激励（1）按F键切换到面选择状态，单击选中长方体上位于x=2处平行于yz面的平面，选中的平面会高亮显示。（2）在三维模型窗口内单击右键，从弹出的快捷菜单中选择【AssignExcitation】→【WavePort】，打开波端口设置对话框，在Name项输入端口名称Port1，单击按钮；在新窗口中单击打开IntegrationLine下方的下拉列表框，选择NewLine选项，设置端口的积分校准线。（3）选中并单击NewLine后，进入端口积分线绘制状态。此时移动鼠标光标到前面所选中并高亮显示的平面下边缘的中间位置，即坐标（2，0，0）处，单击鼠标左键，确定积分线的起始点；然后再移动鼠标光标到该平面上边缘的中间位置，即坐标（2，0，0.4）处，再次单击鼠标，确定积分线的终止点，完成积分线设置。积分线设置完成后，会自动回到前面打开的波端口设置对话框，对话专业通信工程专业学号姓名框余下各项都保持默认设置不变，一直单击下一步按钮，直至完成。设置好的波端口。3．复制长方体（1）从主菜单栏选择【Tools】→【Options】→【HFSSOptions】，打开HFSSOptions对话框，选择General选项卡，选中Duplicateboundarieswithgeometry复选框，然后单击确定按钮。（2）复制长方体创建T形波导的第二个臂。展开操作历史树，单击选择Tee节点，即可选中刚刚新建的名称为Tee的长方体。从主菜单栏选择【Edit】→【Duplicate】→【AroundAxis】，打开DuplicateAroundAxis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，Totalnumber项输入2，单击对话框下方的按钮，即可复制生成一个与z轴成90°夹角、名称为Tee_1的长方体。该长方体继承了长方体Tee的所有属性，包括尺寸、材料属性、激励端口设置等。（3）复制长方体创建T形波导的第三个臂。重复上面的复制操作，在Angle项输入90deg，即可复制生成第三个长方体，复制生成的第三个长方体的默认名称为Tee_2，Tee_2是由Tee沿z轴顺时针旋转90°复制而成的。按快捷键Ctrl+D，让物体适中显示。4．合并长方体（1）从主菜单栏选择【Tools】→【Options】→【ModelerOptions】，打开3DModelerOptions对话框，选择Operation选项卡，确认Clonetoolobjectsbeforeunite复选框未被选中。专业通信工程专业学号姓名（2）单击键盘上的O键，切换到物体选择状态，单击物体选中第一个长方体Tee，接着按下Ctrl键同时选中第二个长方体Tee_1和第三个长方体Tee_2，确保3个长方体都被选中之后，从主菜单栏选择【3DModeler】→【Boolean】→【Unite】命令或者单击工具栏的快捷按钮，执行合并操作，将3个长方体合并生成一个T形物体模型，合并后的物体名称和属性与第一个被选中的物体相同。5．创建隔片（1）创建一个长方体。从主菜单栏选择【Draw】→【Box】，进入新建长方体工作状态。移动鼠标光标在三维模型窗口任选一个基准点，在xy面展开成长方形，单击确定；再沿着z轴移动鼠标光标展开成长方体，单击确定，完成后弹出属性对话框。（2）设置长方体的位置和尺寸。在“属性”对话框的Command选项卡界面，Position栏输入0.45in，Offset-0.05in，0in，设置长方体的起始点位置，按回车键确定，此时会弹出AddVariable对话框，要求设置变量Offset的初始值，在Value栏处输入“0in”，然后单击OK，返回属性对话框。在Xsize、Ysize和Zsize栏处分别输入0.45、0.1和0.4，设置长方体的长宽高尺寸。然后，选择属性对话框的Attribute选项卡，在Name栏处输入长方体的名称Septum，单击完成。此时，在T形波导内部添加了一个小长方体。（3）相减操作。展开操作历史树，首先选中Tee，按下Ctrl键的同时再选中Septum，确认Tee和Septum都被选中；之后，从主菜单栏专业通信工程专业学号姓名选择【3DModeler】→【Boolean】→【Subtract】命令或者单击工具栏的按钮，打开相减操作对话框。确认对话框中Tee在BlankParts栏，Septum在ToolParts栏，表明是从模型Tee中去掉模型Septum。单击OK按钮执行相减操作。相减操作完成后，创建出完整的T形波导。三：分析求解设置1．添加求解设置在工作界面左侧的工程管理窗口（ProjectManager）中，展开TeeModal设计，选中Analysis节点，单击右键，在弹出的快捷菜单中单击【AddSolutionSetup…】，打开求解设置对话框。在该对话框中，SolutionFrequency项输入10，默认单位为GHz，其他项都保持默认设置不变，单确定按钮击结束。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．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【AddFrequencySweep…】，打开EditSweep对话框。在该对话框中，SweepType项选择Interpolating，FrequencySetup项设置。其他项保持默认设置不变，然后单击专业通信工程专业学号姓名EditSweep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。Type：LinearSetupStart：8GHzStop：10GHzStepSize：0.01GHz3．检查设计设置从主菜单栏选择【HFSS】→【ValidationCheck】，弹出设计检查验证窗口，检验设计的完整性和正确性。4．仿真运行设置从主菜单栏选择【HFSS】→【AnalyzeAll】，运行仿真分析。在分析求解过程中，工作界面右下方的进度窗口会显示求解进度。求解运算需要几分钟的时间，求解运算完成后，在工作界面左下方的信息管理窗口会显示求解完成信息。四：实验结果分析及总结：1．图形化显示S参数计算结果右键单击工程管理窗口中工程树下的Results项，在弹出的菜单中选择【CreateModalSolutionDataReport】→【RectangularPlot】，打开如图2.31所示的结果报告设置对话框。在对话框的左侧，Solution项选择Setup1:Sweep1，Domain项选择Sweep；在对话框的右侧，X项选择Freq，在Category列选择SParameter，在Quantity列按下Ctrl键的同时选择S(Port1,Port1)、专业通信工程专业学号姓名S(Port1,Port2)、S(Port1,Port3)项，在Function列选择mag，其他保持默认设置不变。然后单击按钮，即可绘制出S11、S12、S13幅度随频率变化的曲线。绘制生成的结果显示报告会自动添加到工程树的Results节点下，其默认名称为XYPlot1。2．查看表面电场分布双击工程树下的设计名称TeeModal，返回三维模型窗口。在三维模型窗口中单击右键，从右键弹出菜单中选择【SelectFaces】命令，进入面选择状态；单击选中T形波导模型的上表面。选中的模型表面会高亮显示。从主菜单栏选择【HFSS】→【Fields】→【PlotFields】→【E】→【Mag_E】，打开CreateFiledPlot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；同时，在工程树的FieldOverlays节点下会自动添加该场分布图，其默认名称为Mag_E1。3．动态演示场分布图在工程树的Mag_E1项上单击右键，从弹出菜单中选择【Animate】，打开动画演示设置对话框，对话框各项设置保持默认不变，单击按钮，专业通信工程专业学号姓名则可以观察到T形波导表面的场分布开始动态变化；同时，在工作界面左上角的还会打开Animation对话框，通过该对话框可以控制动态显示的进程，包括停止、开始和演示速度等。优化分析1.新建一个优化设计工程（1）打开已保存的工程文件Tee.hfss，并另存为OptimTee.hfss.（2）删除上节课添加的扫描设置频（Sweep1).2.参数扫描分析设计和仿真设计使用Optimetrics模块的参数扫描分析功能，分析波导端口的输出功率和隔片位置之间的关系。（1）添加参数扫描变量专业通信工程专业学号姓名（2）定义输出变量定义三个输出变量Power1、Power2、Power3，分别代