微波技术与天线课程设计

1魔Ｔ的设计１概述无论在那个频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件。微波系统也有各种无源、有源元器件，它们的功能是对微波信号进行必要的处理或变换，是微波系统的重要组成部分。微波元器件按照性质可分为线性互易元器件、线性非互易元器件以及线性元器件三类。其中线性互易元器件只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性，并满足互易定理，主要包括各种微波连接匹配元件、功率分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器件等。功率分配元器件可以将一路微波功率按比例分成几路，主要包括：定向耦合器、功率分配器及各种微波分支器。2波导分支器简介将微波能量从主波导中分路接出的元件成为波导分支器，它是微波功率分配器件的一种，常用的波导分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配双T。E-T分支：E面T型分支器是在主波导宽边面上的分支，其轴线平行于主波导的模的电场方向。E-T分支相当于分支波导与主波导串联。H-T分支是在主波导窄边面上的分支，其轴线平行于主波导模的磁场方向。H-T分支相当于并联于主波导的分支线。匹配双T：将E-T分支和H-T分支合并，并在接头内加匹配以消除各路的反射，则构成匹配双Ｔ，也称为魔T。3整体设计3.1设计目的(1)学习设计波导分支器的方法；(2)掌握魔T的设计方法及其S参数及场分布图的分析。(3)掌握HFSS10软件，加强对相关知识的理解，提高在射频领域的应用能力。3.2设计任务基于微波元器件的理论级，设计一个魔T，查看魔Ｔ放入S参数并分析场分布图。3.3设计原理将E-T分支和H-T分支合并,并在接头内加匹配以消除各路的反射,则构成匹配双T,如图1所示,它有以下特征:1.四个端口完全匹配.2.端口“①、②”对称，即有11S=22S。23.当端口“③”输入，端口“①、②”有等辐同相波输出，端口“④”隔离。4.当端口“④”输入，端口“①、②”有等辐反相波输出。端口“③”隔离。5.当端口“①或②”输入时，端口“③、④”等分输出而对应端口“②”“①”隔离。6.当端口“①、②”同时加入信号时，端口“③”输出两信号相量和的2/1倍，端口“④”输出两信号差的2/1倍。端口“③”称为魔T的H臂或和臂，端口“④”称为魔T的E臂或差臂。根据以上分析，魔T各散射参数有以下关系：11S=22S13S=23S14S=-24S33S=44S=034S=0网络是无耗的，则有][S][S=][I以上两式经推导可得魔T的[S]矩阵为魔T具有对口隔离，邻口3bB耦合及完全匹配的关系。图1魔T模型图33.4设计步骤1建立工程文件在ToolOptionsHFSSOptions中讲DuplicateBoundarieswithgeometry复选框选中，这样使得在复制模型时，所设置的边界一起复制。2设置求解类型3设置模型单位将创建模型中的单位设置为毫米。4．设置模型的默认材料在工具栏中设置模型的默认材料为真空。5创建魔T(1)创建arm_1利用DrawBox创建。(2)设置激励端口注意：在哪一个端口设置激励，就先画哪一个端口，并将端口命名为P1。(3)创建其他臂利用旋转的方式创建arm_2，arm_3，arm_4。(4)组合模型将所有的arm组合成为一个模型，即魔T创建完成。6设置求解频率即扫频范围(1)设置求解频率。解设置窗口中做以下设置：SolutionFrequency：4GHz；MaximunNumberofPasses：5；MaximunDeltaSperPass：0.02。(2)设置扫频。在扫频窗口中做以下设置：SweepType：Fast；FrequencySetupType：LinearCount；Start：3.4GHz；Stop：4GHz；Count：1001；将SaveField复选框选中。7保存工程8求解该工程9后处理操作(1)S参数（反射系数）。在仿真计算结束后，查看魔T的S参数，包括11S、12S、13S和14S。点击菜单栏HFSSResultCreateReport。选择：ReportType：ModalSParameters；DisplayType：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1；Domain：Sweep点击Y标签，选择：Category：Sparameter；Quantity：S(p1，p1)，S(p1,p2)，S(p1,p3)，S(p1,p4)；Function：dB，然后点击AddTrace按钮。点击Done按钮完成操作。(2)场方向图将魔T中的电场幅度以云图的形式绘制出来。在菜单栏点击HFSSFieldPlotFieldMag_E。在创建场图窗口做以下设置：Solution：Setup1：LastAdptive；Quantity：Mag_E：InVolume：All。4修改场点的显示特性，选择EField。(3)场分布图的动态显示将场图以动画的形式动态显示出来，这样可以看到场的传播行进过程。4结果分析4.1正Z轴方向作为激励端口图2S参数图（正Z方向）图3场分布图（正Z方向）5图4动态场分布图（正Z方向）分析：(1)端口①作为激励端口，端口②和端口④有等幅反向波输出。如S参数图中S(p1,p2)与S(p1,p4)所示，符合邻口3dB耦合。（2）端口③为隔离口，在-12dB左右。如S参数图中S(p1,p3)所示。（3）由S参数图可以看出，S(p1,p1)为魔T的反射系数。在3.40GHz时在-58dB左右，之后随着频率的增大有所上升，符合对口隔离。4.2负Y轴方向作为激励端口图5S参数图（负Y方向）①②③④6图6场分布图（负Y方向）图7场分布动态显示图（负Y方向）分析：(1)端口①作为激励端口，端口②和端口④有等分输出。如S参数图中S(p1,p2)（为-5dB左右）与S(p1,p4)（-3dB左右）所示，有一些误差。（2）端口③为隔离口，如S参数图中S(p1,p3)所示，在3.4GHz处为-10dB左右，之后随着频率的增大有所上升。（3）由S参数图可以看出，S(p1,p1)为魔T的反射系数，在3.4GHz处为-10dB左右，之后随着频率的增大明显降低，隔离性较好。但在实验过程中，观察场分布动态显示图，发现在端口③也有输出，可能是由于在设计模型时没有将四个口完全融合造成。4.3正X轴方向作为端口①②③④7图8S参数图（正X方向）图9场分布图（正X方向）图10场分布动态显示图（正X方向）①②③④8分析：(1)端口①作为激励端口，端口②和端口④有等幅同相波输出。如S参数图中S(p1,p2)与S(p1,p4)所示，均在-5dB左右。（2）端口③为隔离口，如S参数图中S(p1,p3)所示，在-57.5dB左右，隔离性较好。（3）由S参数图可以看出，S(p1,p1)为魔T的反射系数，在-5dB左右。但在实验过程中，观察场分布动态显示图，发现在端口③也有输出，可能是由于在设计模型时没有将四个口完全融合造成。4.4正Y轴方向作为激励端口图11S参数图（正Y方向）图12场分布图（正Y方向）9图13场分布动态显示图（正Y方向）分析：(1)端口①作为激励端口，端口②和端口④有等分输出。如S参数图中S(p1,p2)（在-3dB左右）与S(p1,p4)（在-5dB左右）所示。（2）端口③为隔离口，如S参数图中S(p1,p3)所示，在3.4GHz处为-10dB左右，之后随着频率的增大有所上升，隔离性较差。（3）由S参数图可以看出，S(p1,p1)为魔T的反射系数，在3.4GHz处为-9dB左右，之后随着频率的增大有所下降，反射性变强。但在实验过程中，观察场分布动态显示图，发现在端口③也有输出，可能与第二种情况类似。总结：通过以上对分别在魔T的四个端口处设置激励，从而基本上能够得到与理论一样的结果，即魔T具有对口隔离，邻口3dB耦合及完全匹配。5设计体会这次课设在短短的几天时间里结束了，首先感谢老师及几位学长的帮助和指导。通过本次微带天线的课程设计，进一步的加深了对于微波技术与天线这门课程的理解，同时也掌握了对于HFSS仿真软件的使用。此外，也学会了如何设计魔T模型，并将激励设在不同的端口，通过观察所形成的S参数图，尤其是场分布图的动态显示，更有助于的理解平时所学内容中的抽象的模型。在做的过程中，遇到问题通过同学间的讨论以及老师的指导，从而更好地完成了课设的要求，提高了动手的能力同时也增强了同学间的合作能力。6参考文献《微波技术与天线》西安电子科技大学出版社刘学观郭辉萍编著①②③④10微波技术仿真课程设计