实验三 微波波导魔T元件的设计与仿真
微波器件实验中的波导设计和信号传输分析方法
微波器件实验中的波导设计和信号传输分析方法微波器件是微波领域中的一类重要设备，广泛应用于通信、雷达、导航等领域。
在微波器件实验中，波导设计和信号传输分析是非常关键的一环。
本文将介绍常见的微波器件实验中的波导设计原理及信号传输分析方法。
一、波导设计原理微波器件中常用的波导设计有矩形波导、圆柱波导和同轴电缆等。
其中，矩形波导是最常见的一种。
矩形波导的设计原理基于电磁波在导体内传播的特性。
对于TE模式（横电模），电磁场只存在横向的磁场分量，而对于TM模式（横磁模），电磁场只存在横向的电场分量。
通过合理的波导尺寸设计，可以实现特定模式的传输。
波导的尺寸设计涉及到工作频率、工作模式以及波导材料的参数等。
通常，设计人员需要根据实际的工程需求，选择合适的工作频率和模式。
然后，通过波导的截面尺寸来满足相应的传输要求。
波导的截面尺寸包括宽度和高度，它们的比值被称为波导的宽高比。
不同的宽高比对应不同的截止频率、传输损耗和模式特性。
二、信号传输分析方法在微波器件实验中，信号传输分析是评估器件性能的重要手段。
常见的信号传输分析方法包括散射参数(S参数)分析和功率传输分析。
1. 散射参数(S参数)分析S参数是描述微波器件输入输出关系的一组参数。
对于两端口器件，例如功率放大器或滤波器，它们的输入和输出可以用S参数矩阵表示。
S参数矩阵具体包括S11、S12、S21、S22四个参数。
其中，S11表示从端口1发出的电磁波在端口1反向散射的比例；S12表示从端口2发出的电磁波在端口1反向散射的比例；S21表示从端口1发出的电磁波在端口2正向传输的比例；S22表示从端口2发出的电磁波在端口2反向散射的比例。
通过测量器件的S参数，可以分析器件的性能，例如传输损耗、反射损耗、带宽等。
同时，可以通过设计合适的匹配网络，来优化器件的性能，使其在设计频率范围内实现最佳传输。
2. 功率传输分析功率传输分析是评估微波器件输出功率的一种方法。
常见的功率传输分析方法有功率增益分析和功率波导分析。
利用高频结构仿真器分析波导魔T
研究与设计利用高频结构仿真器分析波导魔T屠秀平(山东德州科技职业学院,山东 德州 251200)Analysis of Waveguide Magic T Using HFSST U Xiu ping(Science and T echnology Prof essional Colle ge of Shandong Dez hou,Dez hou251200,China)Abstract:High Frequency Structure Simulator(H FSS)is used for microw ave components design,w hich has friendly interface and can reduce debugg ing workload through simulated calculation.In this paper,a w aveg uide m agic T is analy zed by using H FSS,its S parameters and distribution of dynamic and static field have been g ot.Base on them,the optimum design method is sugg ested.Key words:H FSS;Waveguide mag ic T;S parameters;Field distribution摘要:高频结构仿真器(HF SS)是一种微波器件设计软件,该软件界面友好,通过仿真计算减小了调试工作量,使得微波器件的设计变得简单易行。
本文利用HF SS对波导魔T进行了仿真分析,得到了该器件的S参数和动、静态场的分布情况,并对该器件进行了优化设计。
关键词:高频结构仿真器;波导魔T;S参数;场分布中图分类号:TN12 文献标识码:A 文章编号:1002-8935(2006)06-0009-03波导魔T是完全匹配的、对应臂互相隔离的3 dB定向耦合器,可用以组成微波阻抗电桥、平衡混频器、和差器、平衡天线收发开关、相移器等,是在微波技术中广泛使用的器件。
HFSS微波仿真实验,实验报告六合一
HFSS微波仿真实验,实验报告六合一肇庆学院12通信2班杨桐烁201224124202 实验一T形波导的内场分析和优化设计实验目的1、熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步骤及工作流程。
2、掌握T型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原理。
实验仪器1、装有windows 系统的PC 一台2、HFSS13.0 或更高版本软件3、截图软件T形波导的内场分析实验原理本实验所要分析的器件是下图所示的一个带有隔片的T形波导。
其中，波导的端口1是信号输入端口，端口2和端口3是信号输出端口。
正对着端口1一侧的波导壁凹进去一块，相当于在此处放置一个金属隔片。
通过调节隔片的位置可以调节在端口1传输到端口2，从端口1传输到端口3的信号能量大小，以及反射回端口1的信号能量大小。
实验步骤1、新建工程设置：运行HFSS并新建工程、选择求解类型、设置长度单位2、创建T形波导模型：创建长方形模型、设置波端口源励、复制长方体、合并长方体、创建隔片3、分析求解设置：添加求解设置、添加扫频设置、设计检查4、运行仿真分析5、查看仿真分析计算结果内场分析结果1、图形化显示S参数计算结果图形化显示S参数幅度随频率变化的曲线2、查看表面电场分布表面场分布图3、动态演示场分布图T形波导的优化设计实验原理利用参数扫描分析功能。
分析在工作频率为10GHz时，T形波导3个端口的信号能量大小随着隔片位置变量Offset的变化关系。
利用HFSS的优化设计功能，找出隔片的准确位置，使得在10GHz工作频点，T形波导商品3的输出功率是端口2输出功率的两倍。
实验步骤1、新建一个优化设计工程2、参数扫描分析设置和仿真分析：添加参数扫描分析项、定义输出变量、运行参数扫描分析3、优化设计：添加优化变量、添加目标函数、设置优化变量的取值范围、运行优化分析。
实验结果1、创建功率分配随变量Offset变化的关系图输出变量随变量Offset变化的关系图分析：从上图所示的图可以看出，当变量Offset值逐渐变大时，即隔片位置向端口2移动时，端口2的输出功率逐渐减小，端口3的输出功率逐渐变大；当隔片位置变量Offset超过0.3英寸时，端口1的反射明显增大，端口3的输出功率开始减小。
魔T的设计课程设计报告
课程设计报告课程名称：微波技术与天线设计项目：魔T的设计设计地点：跨越机房专业班级：电信1001班学号：2010001193 学生姓名：指导教师：刘建霞2013年6月21 日相关知识：常用的波导分支器件有E 面T 型分支，H 面T 型分支和匹配双T ，匹配双T 也称魔T ，波导魔T 在微波技术中有着广泛的应用,可用来组成微波阻抗电桥、平衡混频器、功率分配器、移相器、天线双工器、平衡相位检波器、鉴频器、调制器、和差器等。
矩形波导魔T 受其频带较窄的影响,在使用中有一定的局限性,因此设计一种频带相对较宽的魔T 是有实用价值的,而现有的三维电磁仿真软件为优化设计提供了便利。
一、设计目的：通过学习和掌握HFSS 软件，加强对相关知识的理解和掌握，提高在射频领域的应用能力。
本设计基于微波元器件的理论级熟练掌握HFSS 仿真软件基础上，设计一个魔T ，查看魔T 的S 参数并分析场分布图。
二、设计原理：将E--T 分支和H--T 分支合并,并在接头内加匹配以消除各路的反射,则构成匹配双T,如右图所示,它有以下特征: 1.四个端口完全匹配. 2.端口“①、②”对称，即有 2211S S3.当端口“③”输入，端口“①、②”有等辐同相波输出，端口“④”隔离。
4.当端口“④”输入，端口“①、②”有等辐反相波输出。
端口“③”隔离。
5.当端口“①或②”输入时，端口“③、④”等分输出而对应端口“②”或“①”隔离。
6.当端口“①、②”同时加入信号时，端口“③”输出两信号相量和的1/倍，端口“④”输出两信号差的1/倍。
端口“③”称为魔T 的H 臂或和臂，端口“④”称为魔T 的E 臂或差臂。
三、设计过程：设计过程大致可分为以下几部分：（具体操作在此略）1、建立新工程2、设置求解类型3、设置模型单位4、设置模型的默认材料5、创建魔T6、为该问题设置求解频率及扫频范围7、保存工程8、求解该工程9、后处理操作最后得出的模型如下图所示：2.仿真结果S参数图：S参数图的说明：p1为激励口即图1中的④；p2,p3分别为图1中的①、②，两者的图像等幅反向，因而曲线重合；p4为激励口即图1中的③，为隔离端。
[VIP专享]魔T的设计
![[VIP专享]魔T的设计](https://img.taocdn.com/s3/m/c079be57eff9aef8941e069a.png)
魔Ｔ的设计１ 概述无论在那个频段工作的电子设备，都需要各种功能的元器件。
微波系统也有各种无源、有源元器件，它们的功能是对微波信号进行必要的处理或变换，是微波系统的重要组成部分。
微波元器件按照性质可分为线性互易元器件、线性非互易元器件以及线性元器件三类。
其中线性互易元器件只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性，并满足互易定理，主要包括各种微波连接匹配元件、功率分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器件等。
功率分配元器件可以将一路微波功率按比例分成几路，主要包括：定向耦合器、功率分配器及各种微波分支器。
2 波导分支器简介将微波能量从主波导中分路接出的元件成为波导分支器，它是微波功率分配器件的一种，常用的波导分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配双T。
E-T分支：E面T型分支器是在主波导宽边面上的分支，其轴线平行于主波导的模的电场方向。
E-T分支相当于分支波导与主波导串联。
TE10TE H-T分支是在主波导窄边面上的分支，其轴线平行于主波导模的磁10场方向。
H-T分支相当于并联于主波导的分支线。
匹配双T：将E-T分支和H-T分支合并，并在接头内加匹配以消除各路的反射，则构成匹配双Ｔ，也称为魔T。
3 整体设计3.1 设计目的(1) 学习设计波导分支器的方法；(2) 掌握魔T的设计方法及其S参数及场分布图的分析。
(3) 掌握HFSS10软件，加强对相关知识的理解，提高在射频领域的应用能力。
3.2 设计任务基于微波元器件的理论级，设计一个魔T，查看魔Ｔ放入S参数并分析场分布图。
3.3 设计原理将E-T分支和H-T分支合并,并在接头内加匹配以消除各路的反射,则构成匹配双T,如图1所示,它有以下特征:1.四个端口完全匹配.2.端口“①、②”对称，即有= 。
11S 22S 3.当端口“③”输入，端口“①、②”有等辐同相波输出，端口“④”隔离。
4.当端口“④”输入，端口“①、②”有等辐反相波输出。
端口“③”隔离。
5.当端口“①或②”输入时，端口“③、④”等分输出而对应端口“②”“①”隔离。
太原理工大学 微波课设 魔T的设计
本科课程设计报告课程名称：微波技术与天线设计项目：设计二：魔T的设计设计地点：跨越机房设计二、魔T的设计一、设计目的(1) 学习设计波导分支器的方法；(2) 掌握魔T的设计方法及其S参数及场分布图的分析。
(3) 掌握HFSS10软件，加强对相关知识的理解，提高在射频领域的应用能力。
二、设计原理将微波能量从主波导中分路接出的元件成为波导分支器，它是微波功率分配器件的一种，常用的波导分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配双T。
E-T分支： E面T型分支器是在主波导宽边面上的分支，其轴线平行于主波导的10TE模的电场方向。
E-T分支相当于分支波导与主波导串联。
H-T分支是在主波导窄边面上的分支，其轴线平行于主波导10TE模的磁场方向。
H-T分支相当于并联于主波导的分支线。
匹配双T：将E-T分支和H-T分支合并，并在接头内加匹配以消除各路的反射，则构成匹配双Ｔ，也称为魔T。
将E--T分支和H--T分支合并,并在接头内加匹配以消除各路的反射,则构成匹配双T,如右图所示,它有以下特征:①四个端口完全匹配.②端口“①、②”对称，即有③当端口“③”输入，端口“①、②”有等辐同相波输出，端口“④”隔离。
④当端口“④”输入，端口“①、②”有等辐反相波输出。
端口“③”隔离。
⑤当端口“①或②”输入时，端口“③、④”等分输出而对应端口“②”或“①”隔离。
⑥当端口“①、②”同时加入信号时，端口“③”输出两信号相量和的1/倍，端口“④”输出两信号差的1/倍。
端口“③”称为魔T的H臂或和臂，端口“④”称为魔T的E臂或差臂。
图1 魔T模型图三、设计步骤1 建立工程文件在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry 复选框选中，这样使得在复制模型时，所设置的边界一起复制。
2 设置求解类型3 设置模型单位将创建模型中的单位设置为毫米。
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。
微波波导实验报告
一、实验目的1. 了解微波在波导中的传播特点；2. 学习驻波法和共振吸收法测量波长；3. 掌握微波的基本测量方法；4. 熟悉微波波导的基本结构及其工作原理。
二、实验原理微波波导是一种用于传输微波的介质波导，其内部电磁波以一定的方式传播。
在矩形波导中，电磁波主要沿波导轴向传播，同时在横截面上存在一定的电场和磁场分布。
根据电磁波的传播特性，可以通过测量波导中的驻波和共振吸收来研究微波的传播。
三、实验仪器与设备1. 微波波导实验装置；2. 驻波测量仪；3. 频率计；4. 信号发生器；5. 连接线；6. 测量尺。
四、实验步骤1. 连接仪器：按照实验要求连接好微波波导实验装置、驻波测量仪、频率计、信号发生器等仪器。
2. 调节频率：调整信号发生器的输出频率，使其接近微波波导的谐振频率。
3. 测量驻波：打开驻波测量仪，记录驻波图，通过分析驻波图确定波导中的驻波波长。
4. 测量共振吸收：调整信号发生器的输出频率，使其在微波波导的共振频率附近，观察共振吸收现象。
5. 测量波导尺寸：使用测量尺测量波导的长度、宽度和高度。
6. 数据处理：根据实验数据，计算微波在波导中的传播速度、波长等参数。
五、实验结果与分析1. 驻波测量结果：通过驻波测量仪，成功测量出微波在波导中的驻波波长。
根据驻波波长和波导尺寸，计算出微波在波导中的传播速度。
2. 共振吸收测量结果：在微波波导的共振频率附近，观察到明显的共振吸收现象。
通过分析共振吸收曲线，确定微波波导的共振频率。
3. 数据处理结果：根据实验数据，计算出微波在波导中的传播速度、波长等参数，并与理论值进行比较。
六、实验结论1. 通过实验，成功了解了微波在波导中的传播特点，验证了驻波法和共振吸收法测量波长的可行性；2. 掌握了微波的基本测量方法，为后续的微波技术研究和应用奠定了基础；3. 通过实验结果分析，验证了微波波导的理论模型，为微波波导的设计和优化提供了参考。
七、实验总结本次实验通过测量微波在波导中的传播速度、波长等参数，验证了微波波导的理论模型，为微波波导的设计和优化提供了参考。
微波技术与天线仿真实验报告
微波技术与天线仿真实验报告姓名：柳立志学号：110250208ANSOFT HFSS软件的使用与魔T的仿真一、实验内容1、下载并且安装ANSOFT HFSS软件10.0版本；2、学习使用该软件；3、仿真魔T；4、写出仿真使用后的报告。
二、软件介绍与使用Ansoft HFSS软件设置步骤如下：1.打开Ansoft HFSS V10.0，点击TOLLS栏进行软件仿真设置；2.点击Options中的HFSS Options，在General选项卡中将"Use wizards for data inputwhen creating new boundary"和"Duplicate boundaries with geometry"前的复选框打钩，点击OK；3.点击Options中的3D Modeler Options，在Operation选项卡中将"Automaticallycover closed ployline"前的复选框打钩，在Drawing选项卡中将"Edit property of newprimitives"前的复选框打钩，点击OK；三、仿真魔T1、创建三维模型1.设置模型单位点击3D Modeler，选择Units，设置单位为"mm"，点击OK；2.设置默认材料在3D Modeler Materials Tollbar中选择材料类型为vacuum；3.设置第一个模块参数点击Draw中Box，设置起始坐标为X:-25.0，Y:-10.0，Z:0.0，按下回车，接着输入相对坐标dX：50.0，dY：20.0，dZ：75.0，按下回车，按快捷键Ctrl+D，使模块以适当大小显示在屏幕内；4.设置波端口激励点击Edit栏Select中Faces，选择模块的顶面（Z=75.0），点击HFSS栏Excitations=>Assign中的Wave Port，打开Wave Port对话框，输入名称为p1，Next=>Next=>Finish,完成对波端口激励的设置；5.更改选择目标点击Edit栏Select中的Object，完成设置；6.创建第二个模块按下Ctrl+A选择全部可视，点击Edit栏Duplicate中Around Axis，使第一个模块按轴线旋转复制，选择Axis为X轴，设置角度为90度，点击OK；7.创建第三、四个模块点击Edit栏Select中Select By Name，选择第二个模块同样绕Z轴旋转90度复制，再以第三个模块绕绕Z轴旋转90度复制获得最终模型；8.组合所有模块按下Ctrl+A选择全部模块，点击3D Modeler栏Boolean中Unites，将所有模块合并，Ctrl+D使模块以适当大小显示在屏幕内，模型如下图所示；9.边界显示设置保存工程，点击HFSS栏中Boundary Display(Solve view)，选择要显示的边界，outer为背景显示（图中蓝色边界），黑、红、绿、黄分别分边界p1、p2、p3、p4的边界显示；点击View栏Active View Visibility ...，将所有实体隐藏，只显示边界，如下图所示：2、分析设置1.创建一个分析设置点击HFSS栏Analysis Setup中Add Solution Setup...，在General选项卡中设置频率为4GHz，最大量程为5，最大增量为0.02，点击OK；2.添加频率扫描点击HFSS栏Analysis Setup中Add Sweep...，选择要设置项Setup1，点击OK进入Edit Sweep对话框，选择扫描类型为Fast，设置频率类型为Linear Setup，开始频率为3.4GHz，停止频率为4.0GHz，计数1001次（即设置Size约为600KHz），在Save Fields前的复选框打钩，点击OK；3.保存工程点击File栏Save As，更改工程名为hfss_magic_T，点击Save；3、分析4.模型验证点击HFSS栏Validation Check进行检查验证，没有错误时点击Close；5.分析点击HFSS栏Analysis All，进行分析；4、生成报告通过仿真得到如下两种不同结果：5、动态仿真最终进行动态仿真，由软件观察魔T的传输使用过程，静态图如下：软件使用体会：我使用的是ANSOFT HFSS14.0版本，软件操作语言为英文，它是三维电磁仿真软件。
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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
TE模微波信号从p1端口输入时，不能在端口p3内激发电磁场，即端在魔T中，当
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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11S 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（21S ，41S ）为-3.4224dB ，接近-3dB 。
而端口1和端口3的传输量31S 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。