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:

短路

波端口

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

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