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

2、寬度W等。一般可根據實際的加工確定出縫隙的寬度W，應用HFSS的優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矩陣參數可以等效于距檢測端口的1/2個波導波長的縫隙中心的Y矩陣參數，根據波導縫隙的基本設計理論，在諧振時縫隙的等效阻抗或導納為實數。因此，當縫隙諧振時有Im(Y)=0。單縫諧振長度優化示意圖如下：設計一個由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：根據電平分布進行歸一化：可以得到K=0.。由下式可以得到各個縫隙的導納值:gn=Ka2n 各個縫隙的導納如下： 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，其波導尺寸為：寬邊a=22.86mm，窄邊b=10.16mm。工作頻率為10GHz，工作波長=30mm，波導波長g=39.75mm。根據波導各個尺寸可得偏移量與導納之間的關系為由上述導納值可以求得各個縫隙的偏移量： 四、實驗內容利用HFSS軟件設計波導縫隙陣天線。天線陣中心頻率為10GHz，選用WR-90型波導，其具體尺寸為：寬邊22.86mm，窄邊10.16mm，波導波長39.75mm。此設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化縫隙的諧振長度，可以利用該工程1 對各個縫進行優化；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果。五、實驗步驟子工程1：在給定縫隙偏移量下優化縫隙的諧振長度1.建立新工程2.將求解類型設置為激勵求解類型：（1）在菜單欄中點擊HFSSSolution Type。（2）在彈出的Solution Type窗口中(a)選擇Driven Modal。(b)點擊OK按鈕。3.設置模型單位（1）在菜單欄中點擊3D ModelerUnits。（2）在設置單位窗口中選擇：mm。4.建立縫隙天線模型（1）建立波導。創建長方體模型Wave guide。長方

5、體的起始點位置坐標：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)在菜單欄中點擊3DModelerCoordinate SystemCreateRelative CSOffset。(b)在坐標輸入欄中輸入坐標：X：0.0，Y：9.9375，Z：10.16(c)創建長方體模型Slot起始點位置坐標：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)創建圓柱模型，該圓柱用來創建縫隙兩端的半圓形倒角。圓柱中心點的坐標：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：圓柱中心點的坐標：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)創建的模型,在坐標輸入欄中輸入坐標：X：2.0，Y：-7.0，Z：0.0（3）建立Air(a)創建長方體模型。長方體的起始點位置坐標：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.設置邊界條件（1）設置輻射邊界條件。（2）設置理想磁壁。6.設置激勵端口p17.設置工程變量將縫隙的長度和偏移量設置為工程變量，這樣可以在當前給定的偏移量下，優化仿真出縫隙的諧振長度。（1）添加工程變量。(a)在菜單欄中點擊ProjectProject Variables。(b)在Project Variables標簽中選擇Value。(c)點擊Add添加工程變量$L，其值設為13.5mm。(d)繼續添加如下工程變量：$offset:2mm。（2）設置優化變量。(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坐標修改為$of

9、fset，0mm，0mm。 8.求解設置為該問題設置求解頻率，工作頻率為10GHz。(a)在菜單欄中點擊HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup。(b)在求解設置窗口中做以下設置：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.縫隙長度優化（1）在菜單欄中點擊ProjectProject Variables，在對話框中選擇Optimization，選中待優化變量$L，將優化變量的范圍設置為13mm，15mm（2）在

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

11、imization。在Goal標簽中點擊Add按鈕，添加優化目標，如圖5-2-60所示；在Calculation中點擊下拉菜單，選擇cost；在Condition中選擇Minimize。在Optimizer中可以選擇不用的優化方法。（4）點擊HFSSAnalyze All，可以優化在當前$offset下縫隙的諧振長度。經過計算，在$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可以根據各個縫隙的偏移量優化其諧振長度。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。讀者可以根據優化結果詳細設置各個縫隙的長度。1.建立新工程為了方便創建

12、模型，在ToolsOptionsHFSS Options中將Duplicate boundaries with geometry復選框選中。 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在局部坐標系下選擇Slot1。在坐標輸入欄中輸入：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，設置復制的總數為20。根據各縫隙的偏移量依次沿X軸移動各個縫隙。4.設置Air在局

13、部坐標系下的尺寸為：X：-20，Y：-20，Z：1.0；dX：40，dY：440，dZ：105.設置邊界條件6.求解設置在求解設置窗口中做以下設置：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標簽中做以下設置：Phi:Start:0deg，Stop:360deg，Step:2degTheta:Start:0deg，Stop:180deg，Step:2deg(b)在菜單欄中點擊H

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

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