实验八-波导缝隙阵天线的设计与仿真

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HFSS13.0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0.5λg，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axgg21singgbag2cos09.221其中，x为待求的偏移，a为波导内壁宽边长度，λg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：n12345678910an0.330.290.390.50.620.730.830.910.971.0根据电平分布进行归一化：101212nnaK短路波端口g41g21L可以得到K=0.100598。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=0.010955，g_2=0.00846g_3=0.0153，g_4=0.0265g_5=0.03867，g_6=0.0536g_7=0.0693，g_8=0.0833g_9=0.09465，g_10=0.100598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λ=30mm，波导波长λg=39.75mm。根据波导各个尺寸可得偏移量与导纳之间的关系为ngax066.1arcsin由上述导纳值可以求得各个缝隙的偏移量：mmx8136.01mmx7146.02mmx9623.03mmx2691.14mmx5368.15mmx8146.16mmx0698.27mmx2757.28mmx4314.29mmx5097.210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HFSSSolutionType。（2）在弹出的SolutionType窗口中(a)选择DrivenModal。(b)点击OK按钮。3.设置模型单位（1）在菜单栏中点击3DModelerUnits。（2）在设置单位窗口中选择：mm。4.（1创建长方体模型Waveguide。长方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(a)在菜单栏中点击3DModelerCoordinateSystemCreateRelativeCSOffset。(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)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：0.0；圆柱的高度：dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0(e)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)长方体的起始点位置坐标：X：-25，Y：-10.0，Z：11.16；长方体X、Y、Z三个方向的尺寸:dX：50，dY：50，dZ：105.（1（2）设置理想磁壁。6.设置激励端口p17.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(a)在菜单栏中点击ProjectProjectVariables(b)在ProjectVariables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(a)在操作历史树中展开slot，双击CreateBoxPosition:-0.5mm，-$L/2，0mmXSize:1mmYSize:$LZSize:1mm(b)展开slot中的Unite，双击Cylinder1中的CreateCylinder，在对话窗口中将原尺寸改为：Position:0mm，-$L/2，0mmRadius:0.5mmHeight:1mm(c)同样地，双击Cylinder2中的CreateCylinder，在弹出的对话窗口中将原尺寸改为：Position:0mm，$L/2，0mmRadius:0.5mmHeight:1mm(d)双击Move，将MoveVector坐标修改为$offset，0mm，0mm。8.为该问题设置求解频率，工作频率为10GHz。(a)在菜单栏中点击HFSSAnalysisSetupAddSolutionSetup(b)SolutionFrequency:10.0GHzMaximumNumberofPasses:15MaximumDeltaSperPass:0.029.保存工程10.求解该工程11.（1）在菜单栏中点击ProjectProjectVariables，在对话框中选择Optimization，选中待优化变量$L，将优化变量的范围设置为［13mm，15mm］（2）在菜单栏中点击HFSSResultsOutputVariables，添加输出变量cost。，首先点击InsertFunction，插入abs，点击ReportType下拉菜单，选择ModalSolutionData，点击Solution下拉菜单，选择Setup1:LastAdaptive，然后做如下设置：Category：YParameterQuantity：Y(WavePort1，WavePort1)Function：im点击InsertQuantityIntoExpression，然后点击Done。（3）在菜单栏中点击OptimetricsAnalysisAddOptimization。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HFSSAnalyzeAll，可以优化在当前$offset下缝隙的谐振长度。经过计算，在$offset＝2mm时，谐振长度$L=13.69mm。子工程2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.为了方便创建模型，在ToolsOptionsHFSSOptions中将Duplicateboundarieswithgeometry复选框选中。2.同子工程1一样建立Waveguide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Duplicatealongline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在局部坐标系下的尺寸为：X：-20，Y：-20，Z：1.0；dX：40，dY：440，dZ：105.6.SolutionFrequency:10.0GHzMaximumNumberofPasses:15MaximumDeltaSperPass:0.027.保存工程8.求解该工程9.（1）3D(a)在InfiniteSpherePhi:Start:0deg，Stop:360deg，Step:2degTheta:Start:0deg，Stop:180deg，Step:2deg(b)在菜单栏中点击HFSSResultsCreateReport(c)ReportType：FarFields，DisplayType：3DPolarPlot(d)在弹出的对话窗口中设置MagCategory:Gain，Quantity:GainTotal，Function:dB(e)点击AddTrace按钮（2）2D(a)在菜单栏中点击HFSSRadiationInsertFarFieldSetupInfiniteSphere(b)在InfiniteSpherePhi:Start:90deg，Stop:90deg，Step:0degTheta:Start:0deg，Stop:360deg，Step:1deg(c)在菜单栏中点击HFSSResultsCreateReport(d)ReportType：FarFields，DisplayType：RadiationPattern(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MagCategory:Gain，Quantity:GainTotal，Function:dB(f)点击NewReport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增益达到10.47dB，且呈现笔形波束。而第一副瓣约为-14.74dB，与主瓣相差25dB左右，满足波导缝隙阵天线使用场合的低副瓣要求。七、问题思考及小结本实验用HFSS建立了波导缝隙天线的模型，并进行了仿真分析。从仿真结果可以看出天线满足设计要求，同时也说明了使用HFSS建模方法的可行性。由于书上列出了很详细的操作步骤，设计思路都体现在里面，所以仿真时能够很快的把握住设计思路，进一步学会如何利用HFSS设计波导缝隙阵天线，并通过所形成的增益方向图和远场方向图分析其特性。学习将基础的理论知识应用到微带天线的实际设计中，收获颇丰。