实验三 微波波导魔T元件的设计与仿真

实验三微波波导魔T元件的设计与仿真

一、实验目的

1.设计一个微波波导魔T元件

2.查看魔T的S参数并分析场分布图

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

在魔T中，当TE10模微波信号从p1端口输入时，不能在端口p3内激发电磁场，即端口p3隔离，信号由端口p2和p4反相等分输出（E面T特性）；当信号从端口p3输入时，不能在端口p1内激发电磁场，即端口p1隔离，信号由端口p2和p4同相等分输出（H面T特性）。

四、实验内容

设计一个微波波导魔T元件，其指标要求如下： 工作频率为4GHz。

此魔T元件设计仿真中采用波导结构实现。最终获得S参数曲线和场分布图的仿真结果。

五、实验步骤 1.建立新工程

了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry复选框选中。

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.设置模型的默认材料

在工具栏中设置模型的默认材料为真空(vacuum)。 5.创建魔T

（1）创建arm_1

画一个长方体并命名为arm_1，其位置坐标为：X：-25，Y：-10，Z：0；dX：50，dY：20，dZ：75。

（2）设置激励端口

(a)在菜单栏中点击Edit>Select>Faces，选择arm_1的最上面表面 (b)在菜单栏中点击HFSS>Excitation>Assign>Wave Port

(c)Wave Port：General窗口，将端口命名为p1，在宽边设置积分线，然后点击Next直

到Finish结束。

（3）创建arm_2

借助arm_1的旋转来实现。选中arm_1，点击Edit>Duplicate>Around Axis，设置：Axis：X，Angle：90(deg)，Total number：2。 （4）创建arm_3和arm_4

借助arm_2的旋转来实现。点击Edit>Select>By Name，选择arm_2，点击Edit>Duplicate>Around Axis，设置：Axis：Z，Angle：90(deg)，Total number：3。

（5）组合模型

选中所有物体，点击Modeler>Boolean>Unite。 6.求解设置

（1）设置求解频率

(a)在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。

(b)在求解设置窗口中作如下设置：Solution Frequency：4GHz；Maximum Numbers of Passes：6；Maximum Delta S per Pass：0.02；点击OK按钮。

（2）设置扫频

(a)在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup >Add Sweep。 (b)选择Setup1，点击OK。

(c)在扫频设置窗口中作如下设置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type ：Linear Count；Start：3.4GHz；Stop：4GHz；Count:1001。

(d)将Save Field复选框选中，点击OK按钮。 7.保存工程

在菜单栏中点击File>Save As，在弹出的窗口中将该工程的命名为shiyan3，并选择路径保存。

8.求解该工程，点击HFSS>AnalyzeAll 9.后处理操作

（1）S参数

(a)点击HFSS>Result>Create Modal Solution Data Report (b)选择Rectangle Plot

(c)在Trace窗口中设置：Solution:Setup1:Sweep1;Domain:Sweep;点击Y标签，选择：Category:S parameter;Quantity:S(p1,p1)、S(p2,p1)、S(p3,p1)、S(p4,p1);Function:dB。

(d)点击New Report按钮完成。 （2）S参数相位

(a)点击HFSS>Result>Create Modal Solution Data Report (b)选择Rectangle Plot

(c)在Trace窗口中设置：Solution:Setup1:Sweep1;Domain:Sweep;点击Y标签，选择：Category:S parameter;Quantity:S(p2,p1)、S(p4,p1);Function:cang_deg。

(d)点击New Report按钮完成。

六、实验结果

仿真图如下：

魔T的S参数曲线如下：

魔T的S参数相位曲线如下：

由上图魔T的S参数曲线可知，S(p2,p1)和S(p4,p1)曲线基本重合，满足功率等分要求。在中心频率4GHz时，端口1的自反射S11大约为-10.4611dB，从端口1到端口2和从端口1到端口4的传输量（S21，S41）为-3.4224dB，接近-3dB。而端口1和端口3的传输量S31为-54.1378dB，得到充分的隔离。而此时S(p2,p1)和S(p4,p1)在4GHz时的相角分别为-277.9660°，-97.9892°，基本相差180°，从幅度和相位方面都满足E面T的特性。

魔T的场分布图如下：

由上图魔T的场分布可知，在端口1被激励后，电磁波传输到端口2和端口4的过程中电场场强分布情况，而场分布图的动态显示更直观的演示了魔T元件中电磁波的传播过程。需要注意的是当端口1被激励后，端口3附近几乎没有电磁波的存在，端口1和端口3是隔离的。

七、问题思考及小结

魔T的性质如下： 1.四个端口完全匹配。

2.不仅端口E臂和H臂相互隔离，两侧壁也相互隔离。

3.进入一侧臂的信号，将由E臂和H臂等分输出，而不进入另一侧壁。 4.进入H臂的信号，将由两侧壁等幅同相输出，而不进入E臂。 5.进入E臂的信号，将由两侧臂等幅反相输出，而不进入H臂。

6.若两侧臂同时加入信号，E臂输出的信号等于两输入信号向量差的1/2倍，H臂输出的信号则等于两输入信号向量和的1/2倍。

通过本次实验，我进一步熟练了HFSS软件的使用，掌握了微波波导魔T元件的性质，并通过仿真直观的查看了魔T的S参数及其场分布图，收获颇丰。