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
g λ4
1g λ2
1L
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.
（1
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
(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)
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：10
5.
（1）设
（2）设置理想磁壁。

6.设置激励端口p1
7.
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
(a)在操作历史树中展开slot，双击Create Box
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，-$L/2，0mm
Radius:0.5mm
Height:1mm
(c)同样地，双击Cylinder2中的Create Cylinder，在弹出的对话窗口中将原尺寸改为：
Position:0mm，$L/2，0mm
Radius:0.5mm
Height:1mm
(d)双击Move，将Move Vector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HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup
(b)
Solution Frequency:10.0GHz
Maximum Number of Passes:15
Maximum Delta S per Pass:0.02
9.保存工程
10.求解该工程
11.
（1）在菜单栏中点击Project>Project 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）在菜单栏中点击HFSS>Results>Output V ariables，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 Parameter
Quantity：Y(WavePort1，WavePort1)
Function：im
点击Insert Quantity Into Expression，然后点击Done。

（3）在菜单栏中点击Optimetrics>Analysis>Add Optimization。

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HFSS>Analyze All，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.建立新
为了方便创建模型，在Tools>Options>HFSS 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：10.16
3.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
在局部坐标系下的尺寸为：X：-20，Y：-20，Z：1.0；dX：40，dY：440，dZ：10
5.
6.
Solution Frequency:10.0GHz
Maximum Number of Passes:15
Maximum Delta S per Pass:0.02
7.保存工程
8.求解该工程
9.
（1）3D
(a)在Infinite Sphere
Phi:Start:0deg，Stop:360deg，Step:2deg
Theta:Start:0deg，Stop:180deg，Step:2deg
(b)在菜单栏中点击HFSS>Results>Create Report
(c)
Report Type：Far Fields，Display Type：3DPolarPlot
(d)在弹出的对话窗口中设置Mag标
Category:Gain，Quantity:Gain Total，Function:dB
(e)点击Add Trace按钮
（2）2D
(a)在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere
(b)在Infinite Sphere
Phi:Start:90deg，Stop:90deg，Step:0deg
Theta:Start:0deg，Stop:360deg，Step:1deg
(c)在菜单栏中点击HFSS>Results>Create Report
(d)
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
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。