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微波与电磁场三级项目——基于HFSS波导分支接头的电磁仿真设计14-通信工程4班3组2张曌蒲琼小组成员组长组员郑岚方陈春马欢组员组员组员组员组员邱悦E-T分支H-T分支双T分支信号的截取过程讨论内容4创建工程及运行环境创建模型确定模型设计参数的变量HFSS仿真分析整体流程求解设置设计验证运行HFSS仿真参数扫描与变量优化创建图表结果5HFSS仿真分析整体流程图01E-T分支Coulomb'slaw7建立三维模型建立波导端口激励场求解分析模型设计的整体流程分析不同端口输入激励的场覆盖情况8E—T分支的分支波导延伸方向与主波导中TE10模的电场平面平行。把主波导两臂端口令为①和②，分支臂端口为③。为了使用方便，E—T分支的结构总是作成对称的，即主波导的两臂长相等。结构描述123建立三维模型9123HFSS仿真设计E-T分支1.尺寸设计（1）以BJ-100型波导为例，设置该分支接头的尺寸为height=10.160mm，width=22.860mm（2）采用单模传输，即导行TE10模，根据公式可求得6.56GHz~13.12GHz，而实际中主模频率范围8.20~12.5Ghz，衰减频率9.84Ghz，因此，我们选择的传输频率为8.2GHz10用三维模型材料工具栏，选择真空2、选择材料（即模型内填充物）123HFSS仿真设计E-T分支设置顶端为端口P1，输入激励端口，能量为1W；两侧分别P2、P3，输出端口。3、建立波导端口激励11求解类型：Full-wave求解原理：3D有限元法（FEM）网格类型：等角的网格单元：正四面体网格剖分形式：自适应网格(AdaptiveMeshing)2、某空间内的场求解123HFSS仿真分析及场求解原理求解原理：2D-FEM形式：自适应网格（边界条件）3、激励：端口求解1、矩阵数据：S、Y、Z参数和VSWR（匹配）2、相关的场：2D/3D近场－远场图电场、磁场、电流（体/面电流）、功率、SAR辐射1、通过HFSS可以获取的信息12自适应网格剖分是在误差大的区域内对网格多次迭代细化的求解过程，利用网格剖分结果来计算在求解频率激励下存在于结构内部的电磁场。初始网格是基于单频波长进行的粗剖分，然后进行自适应分析，利用粗剖分对象计算的有限元解来估计在问题域中的哪些区域其精确解会有很大的误差（收敛性判断），再对这些区域的四面体网格进行细化（进一步迭代），并产生新的解，重新计算误差，重复迭代过程（求解—误差分析（收敛性判断）—自适应细化网格）直到满足收敛标准或达到最大迭代步数。如果正在进行扫频，则对其他频点求解问题不再进一步细化网格。自适应网格剖分原理基于自适应网格剖分的场求解过程123自适应网格剖分图1.2.2自适应网格（总体与局部）1323E-T接头传输TE10模的理论分析情况——理论分析当信号由③口入时，①和②口都有输出且幅度相同相位相反。14123HFSS仿真结果分析如图所示当TE10自E臂输入时，两主臂有等幅反相信号输出。仿真结果——场覆盖图仿真结果——S矩阵1523分析不同端口输入激励的场覆盖情况两主臂等幅反相输入，E臂输出情况1——理论分析情况2——理论分析信号由①和②口同相输入时，在③口的对称面上，电场为反相相减，端口③的输出最小；当信号由①和②端口等幅反相输入时，在端口③的对称面上，电场为同相相加，端口③的输出最大。1623分析不同端口输入激励的场覆盖情况两主臂等幅反相输入，E臂输出两主臂等幅同相输入，E臂无输出。情况1——场覆盖图情况2——场覆盖图02H-T分支接头设计及优化biot-savartlaw18H-T分支是在主波导窄边面上的分支,其轴线平行于主波导TE10模的磁场方向,其结构及等效电路如图所示,H-T分支相当于并联于主波导的分支线。结构描述113建立三维模型19由三个尺寸为2*0.9*0.4英寸的长方体组成1、尺寸设计123HFSS仿真设计H-T分支长方体材料属性保持为真空2、材料的选择Xsize：0.45，Ysize：0.1,Zsize:0.4，单位为英寸3、增加隔片设置垂直放置的一端为端口P1，输入激励端口，能量为1W；两侧分别P2、P3，输出端口。4、建立波导端口激励20123HFSS仿真结果分析如图所示当TE10自H臂输入时，两主臂有等幅同相信号输出。仿真结果——场覆盖图21123T型波导的优化设计的目标（1）分析工作频率在10GHz时，T型波导三个端口的能量大小关系随隔片位置变化的关系；（2）利用HFSS优化设计功能使得端口三输出能量是端口而能量的2倍。22123T型波导的优化设计的方法端口3能量-端口2能量*2=01、目标函数mag(S(port3，port1))*mag(S(port3，port1))－2*mag(S(port2，port1))*mag(S(port2，port1))=0可接受的误差小于0.00012、设计目标根据各端口能量随隔片位置变化的曲线，可大致确定最优隔片位置，以缩小优化求解释扫描范围，减少逐次迭代的运算量。3、确定优化范围23123拟牛顿迭代法求解牛顿法的基本思想是在极小点附近通过对目标函数f(x)作二阶泰勒（Taylor）展开，进而找到f(x)的极小点的估计值。拟牛顿法只有在目标函数的噪声很小的情况下使用是足够准确的，如果目标函数的噪声在工程是十分显著的，需要使用模式搜索优化算法来得到最优结果。24123HFSS优化结果分析如图所示，当隔片向端口2移动时，端口2的能量逐渐减少，端口3的能量逐渐增加；当隔片位置大于0.3英寸时，端口1反射加强，导致端口3能量减少；在0.1英寸的位置是，端口3的能量大约为端口2的两倍。由此，可得到优化范围为0.1~0.3英寸，最优位置应该在该区间取得。输出变量随变量Offset的变化关系曲线0.000.200.400.600.801.00offset[in]0.000.200.400.600.801.00Y1HFSSDesign2XYPlot1ANSOFTCurveInfoPower11Setup1:LastAdaptiveFreq='10GHz'Power21Setup1:LastAdaptiveFreq='10GHz'Power31Setup1:LastAdaptiveFreq='10GHz'25123HFSS优化结果分析由此可得到最优位置为0.095英寸，此位置下端口3输出能量为端口2的两倍。拟牛顿迭代法求解结果拟牛顿迭代法求解结果0358101215Iteration0.000.030.050.080.100.130.150.180.200.23Cost26123HFSS优化结果分析拟牛顿迭代法求解结果隔片位置移动时，场动态变化图03双T分支Methodofanalogy28双T分支是E—T分支与H—T分支的组合。由E—T和H—T的工作特性，可得出双T分支的如下工作特性：当信号以TE10模从端口③（E臂）输入时，端口①和②输出等幅反相位波，端口④（H臂）无输出，这是因为E臂和H臂的TE10模的电场是空间正交的，它们不可能相互激励。结构描述113建立三维模型29用三维模型材料工具栏，选择真空2、选择材料（即模型内填充物）123HFSS仿真设计双T分支（1）以BJ-100型波导为例，设置该分支接头的尺寸为height=10.160mm，width=22.860mm，由四个上述尺寸的长方体拼接而成。（2）采用单模传输，即导行TE10模，根据公式可求得6.56GHz~13.12GHz，而实际中主模频率范围8.20~12.5Ghz，衰减频率9.84Ghz，因此，我们选择的传输频率为8.2GHz3、尺寸设计3023双T接头传输TE10模的理论分析情况——理论分析当信号以TE10模从端口④（H臂）输入时，端口①和②输出等幅同相位波，端口③（E臂）则无输出。当从端口①和②同时输入等幅同相信号时（TE10模），端口④有输出而端口③无输出；若端口①和②同时输入等幅反相信号时，端口③有输出而端口④无输出。①②④①④②3123分析不同端口输入激励的场覆盖情况两主臂等幅同相输入，H臂最大输出，E臂无输出两主臂等幅反向输入，E臂最大输出，H臂无输出。情况1——场覆盖图情况2——场覆盖图3223分析不同端口输入激励的场覆盖情况H臂输入，两主臂等幅同向输出，同H-T分支的情况E臂输入，两主臂等幅反向输出，同E-T分支的情况情况3——场覆盖图情况4——场覆盖图3323分析不同端口输入激励的场覆盖情况主臂1输入，剩余三端口都有输出。主臂2输入，剩余三端口都有输出。情况5——场覆盖图情况6——场覆盖图04总结Methodofanalogy35①对三种常见的波导分支接头都进行了电磁仿真设计，分析外加不同激励时的场情况。②利用HFSS场优化设计功能，寻找到了满足端口3输出是端口2输出能量的两倍条件的最佳隔片位置。总结05参考文献Methodofanalogy37[1]殷际杰.微波技术与天线——电磁场导行和辐射工程（第2版修订版）[M].北京：电子工业出版社.2012[2]李明洋.HFSS电磁仿真设计从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社.2012[3]李明洋.HFSS电磁仿真设计应用详解[M].北京：人民邮电出版社.2012[4]张洪欣.电磁场与电磁波[M].北京：清华大学出版社.2016参考文献