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1、精选优质文档-倾情为你奉上实验八 波导缝隙阵天线的设计与仿真一、实验目的1.设计一个波导缝隙阵天线2.查看并分析波导缝隙阵天线的二、实验设备装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台三、实验原理波导缝隙阵具有口面效率高、副瓣电平低等优良的性能。这里考虑宽边纵向谐振式驻波阵列，每个缝隙相距0.5g，距离波导宽边中心有一定偏移。Stevenson给出宽边上纵向并联缝隙的电导为其中，x为待求的偏移，a为波导内壁宽边长度，g为波导波长。在具体的设计中，可以利用HFSS的优化功能来确定缝隙的谐振长度。首先确定在谐振缝隙设计中存在的几个变量，主要有缝隙偏移波导中心线的距离Offset，缝隙的长度L，缝隙的
2、宽度W等。一般可根据实际的加工确定出缝隙的宽度W，应用HFSS的优化功能得出缝隙的偏移量Offset和缝隙长度Length。如图1所示，在波端口的Y矩阵参数可以等效于距检测端口的1/2个波导波长的缝隙中心的Y矩阵参数，根据波导缝隙的基本设计理论，在谐振时缝隙的等效阻抗或导纳为实数。因此，当缝隙谐振时有Im(Y)=0。单缝谐振长度优化示意图如下：设计一个由20个缝隙组成的缝隙阵，采用Chebyshev电流分布，前10个缝的电平分布如下：根据电平分布进行归一化：可以得到K=0.。由下式可以得到各个缝隙的导纳值:gn=Ka2n 各个缝隙的导纳如下： 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.选用WR-9型波导，其波导尺寸为：宽边a=22.86mm，窄边b=10.16mm。工作频率为10GHz，工作波长=30mm，波导波长g=39.75mm。根据波导各个尺寸可得偏移量与导纳之间的关系为由上述导纳值可以求得各个缝隙的偏移量： 四、实验内容利用HFSS软件设计波导缝隙阵天线。天线阵中心频率为10GHz，选用WR-90型波导，其具体尺寸为：宽边22.86mm，窄边10.16mm，波导波长39.75mm。此设计过程可分为两个子工程：子工程1
4、 在给定缝隙偏移量下优化缝隙的谐振长度，可以利用该工程1 对各个缝进行优化；子工程2 建立含有所有缝隙的完整模型。最后得到该天线的二维和三维方向图的仿真结果。五、实验步骤子工程1：在给定缝隙偏移量下优化缝隙的谐振长度1.建立新工程2.将求解类型设置为激励求解类型：（1）在菜单栏中点击HFSSSolution Type。（2）在弹出的Solution Type窗口中(a)选择Driven Modal。(b)点击OK按钮。3.设置模型单位（1）在菜单栏中点击3D ModelerUnits。（2）在设置单位窗口中选择：mm。4.建立缝隙天线模型（1）建立波导。创建长方体模型Wave guide。长方
5、体的起始点位置坐标：X：-11.43，Y：0.0，Z：0；长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX：22.86，dY：29.8125，dZ：10.16（2）建立缝隙。(a)在菜单栏中点击3DModelerCoordinate SystemCreateRelative CSOffset。(b)在坐标输入栏中输入坐标：X：0.0，Y：9.9375，Z：10.16(c)创建长方体模型Slot起始点位置坐标：X：-0.5，Y：-7.0，Z：0.0；长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX：1.0，dY：14.0，dZ：1.0(d)创建圆柱模型，该圆柱用来创建缝隙两端的半圆形倒角。圆柱中心点的坐标：X：0.0，
6、Y：-7.0，Z：0.0；圆柱半径：dX：0.5，dY：0.0，dZ：0.0；圆柱的高度：dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0(e)同样地，建立另外一个圆柱，尺寸为：圆柱中心点的坐标：X：0.0，Y：7.0，Z：0.0；圆柱半径：dX：0.5，dY：0.0，dZ：0；圆柱的高度：dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0(f)在操作历史树中利用Ctrl键选择Slot、Cylinder1、Cylinder2，注意选择的顺序(f)创建的模型,在坐标输入栏中输入坐标：X：2.0，Y：-7.0，Z：0.0（3）建立Air(a)创建长方体模型。长方体的起始点位置坐标：X：-25，Y：-10.0，Z：1
7、1.16；长方体X、Y、Z三个方向的尺寸:dX：50，dY：50，dZ：105.设置边界条件（1）设置辐射边界条件。（2）设置理想磁壁。6.设置激励端口p17.设置工程变量将缝隙的长度和偏移量设置为工程变量，这样可以在当前给定的偏移量下，优化仿真出缝隙的谐振长度。（1）添加工程变量。(a)在菜单栏中点击ProjectProject Variables。(b)在Project Variables标签中选择Value。(c)点击Add添加工程变量$L，其值设为13.5mm。(d)继续添加如下工程变量：$offset:2mm。（2）设置优化变量。(a)在操作历史树中展开slot，双击Create B
8、ox，在对话窗口中将原尺寸改为：Position:-0.5mm，-$L/2，0mmX Size:1mmY Size:$LZ Size:1mm (b)展开slot中的Unite，双击Cylinder1中的Create Cylinder，在对话窗口中将原尺寸改为：Position:0mm，-$L/2，0mmRadius:0.5mmHeight:1mm (c)同样地，双击Cylinder2中的Create Cylinder，在弹出的对话窗口中将原尺寸改为：Position:0mm，$L/2，0mmRadius:0.5mmHeight:1mm(d)双击Move，将Move Vector坐标修改为$of
9、fset，0mm，0mm。 8.求解设置为该问题设置求解频率，工作频率为10GHz。(a)在菜单栏中点击HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup。(b)在求解设置窗口中做以下设置：Solution Frequency:10.0GHzMaximum Number of Passes:15Maximum Delta S per Pass:0.029.保存工程10.求解该工程11.缝隙长度优化（1）在菜单栏中点击ProjectProject Variables，在对话框中选择Optimization，选中待优化变量$L，将优化变量的范围设置为13mm，15mm（2）在
10、菜单栏中点击HFSSResultsOutput Variables，添加输出变量cost。，首先点击Insert Function，插入abs，点击Report Type下拉菜单，选择Modal Solution Data，点击Solution下拉菜单，选择Setup1:Last Adaptive，然后做如下设置：Category：Y ParameterQuantity：Y(WavePort1，WavePort1)Function：im点击Insert Quantity Into Expression，然后点击Done。 （3）在菜单栏中点击OptimetricsAnalysisAdd Opt
11、imization。在Goal标签中点击Add按钮，添加优化目标，如图5-2-60所示；在Calculation中点击下拉菜单，选择cost；在Condition中选择Minimize。在Optimizer中可以选择不用的优化方法。（4）点击HFSSAnalyze All，可以优化在当前$offset下缝隙的谐振长度。经过计算，在$offset2mm时，谐振长度$L=13.69mm。 子工程2：所有缝隙的完整模型利用子工程1可以根据各个缝隙的偏移量优化其谐振长度。这里为了方便建模，各个缝隙除去倒角的长度均选择为13.6mm。读者可以根据优化结果详细设置各个缝隙的长度。1.建立新工程为了方便创建
12、模型，在ToolsOptionsHFSS Options中将Duplicate boundaries with geometry复选框选中。 2.同子工程1一样建立Wave guide其尺寸为：X：-11.43，Y：0.0，Z：0.0；dX：22.86，dY：407.435，dZ：10.163.同子工程1一样建立Slot1在局部坐标系下选择Slot1。在坐标输入栏中输入：X：0.0，Y：0.0，Z：0.0；dX：0.0，dY：19.875，dZ：0.0。在弹出的Duplicate a long line对话框中，设置复制的总数为20。根据各缝隙的偏移量依次沿X轴移动各个缝隙。4.设置Air在局
13、部坐标系下的尺寸为：X：-20，Y：-20，Z：1.0；dX：40，dY：440，dZ：105.设置边界条件6.求解设置在求解设置窗口中做以下设置：Solution Frequency:10.0GHzMaximum Number of Passes:15Maximum Delta S per Pass:0.027.保存工程8.求解该工程9.后处理计算（1）3D增益方向图。(a)在Infinite Sphere标签中做以下设置：Phi:Start:0deg，Stop:360deg，Step:2degTheta:Start:0deg，Stop:180deg，Step:2deg(b)在菜单栏中点击H
14、FSSResultsCreate Report。(c)在弹出的对话框中做以下设置：Report Type：Far Fields，Display Type：3DPolarPlot(d)在弹出的对话窗口中设置Mag标签：Category:Gain，Quantity:Gain Total，Function:dB(e)点击Add Trace按钮（2）2D增益方向图。(a)在菜单栏中点击HFSSRadiationInsert Far Field SetupInfinite Sphere。(b)在Infinite Sphere标签中做以下设置：Phi:Start:90deg，Stop:90deg，Step
15、:0degTheta:Start:0deg，Stop:360deg，Step:1deg(c)在菜单栏中点击HFSSResultsCreate Report。(d)在弹出的对话框中做以下设置：Report Type：Far Fields，Display Type：Radiation Pattern(e)在弹出的对话窗口中的Geometry下拉菜单中设置InfinteSphere2，在Sweep标签中将第一变量设置为Theta，在Mag标签中做以下设置：Category:Gain，Quantity:Gain Total，Function:dB(f)点击New Report按钮六、实验结果仿真图如下：缝隙阵的3D增益方向图如下:缝隙阵的2D远场方向图如下:从上面的方向图可以看出该缝隙阵的主瓣
