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0.5λg ，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

()a x g g π21sin =

()()g g b a g λλπλλ2cos 09.221=

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：

n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a n

0.33 0.29 0.39 0.5

0.62 0.73 0.83 0.91 0.97

1.0

根据电平分布进行归一化：∑==10

1

212n n

a

K

短路

波端口

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=0.00846 g_3=0.0153，g_4=0.0265 g_5=0.03867，g_6=0.0536 g_7=0.0693，g_8=0.0833 g_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

()

n g a

x 066.1arcsin π

=

由上述导纳值可以求得各个缝隙的偏移量：

mm x 8136.01= mm x 7146.02= mm x 9623.03= mm x 2691.14= mm x 5368.15= mm x 8146.16= mm x 0698.27= mm x 2757.28= mm

x 4314.29= mm x 5097.210=

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HFSS>Solution 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 Modeler>Units 。 （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3DModeler>Coordinate System>Create>Relative CS>Offset。

(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，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：11.16；长方体X、Y、Z三个方向的尺寸:dX：50，dY：50，dZ：10

5.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p1

7.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Project>Project 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 Box，在对话窗口中将原尺寸改为：

Position:-0.5mm，-$L/2，0mm

X Size:1mm

Y Size:$L

Z 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/2，0mm

Radius:0.5mm

Height:1mm