微波魔T的课程设计报告书

魔T的设计

一、设计目的

由于关于微波的一些理论、概念都比较抽象，理解不深刻。为了把一些理论用形象的方法表现出来，出现了许多关于微波的仿真软件。本次设计就是在这些软件的基础上进行的。其目的就是通过学习基于有限元的微波EDA仿真软件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、设计方案

从设计目的出发，本文主要是研究魔T的S参数并分析场分布图。因此对于这个课设，可以在一个魔T设定多个端口，以确定魔T的部的分布特性。

三、设计原理

魔T是波导分支器的一种，是一种功率分配器元件。E面T分支、H-T分支也是波导分支器。

E面T分支是在主波导宽面上的分支，其轴线平行于主波导的TE10模的电场方向。

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的TE10模的磁场方向。

将E--T分支和H--T分支合并,并在接头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。

由个散射参数可得魔T的[S]矩阵为

总之：魔T具有对口隔离，邻口3DB摔减及完全匹配的关系。

四、设计步骤及容

1、打开HFSS软件，建立新的工程。并设置模型单位为mm和模型的默认材料为真空。

2、创建魔T：

画出长方体，是其长边沿Z轴，并设其上表面为P1，在此面上设激励。

根据画出的长方体分别旋转到三个90度、180度、270度处。依次为p2、p3、p4口。然后进行组合，形成魔T。如图：

3、为该问题设置求解频率计扫描围，设置完成后，保存工程。

4、求解该工程，然后进行操作处理，仿真后查看魔T的S参数和场分布动态图。

5、分别以其他三个端口为激励（设激励的端口命名为p1,随后画出的端口依次为P2、P3、P4口），仿真，查看S参数和场分布动态图。

五、设计仿真结果及分析

⑴以端口4沿（Z轴正方向的端口）为P1口设激励

①其S参数显示如图：

分析：s(p1,p1)在—10DB以下，因为这是端口P1的自反射，因为端口匹配，所以自反射系数应该很小，但并不是完全没有反射。

s(p1,p2)，s(p1,p4)两线重合，这是因为在差支路进入时，p2、p4口输出等幅反向波，又因为存在3DB衰减，所以会出现在如图中的位置。

s(p1,p3)口，魔T存在对口隔离的特性，但是和差两路的信号很难消到零，只能在-45到-60之间。其隔离度还随着频率的变化出现相应的变化。

②其场分布图

分析：这个图比较理想，在p3口处已经看不到有波输出，实现了对口隔离，而在P2、P4口有同样的输出，与理论一致。

⑵以端口1（沿Y轴负方向的端口）为P1口设激励

①其S参数显示如图：

分析：蓝色的线表示s(p1,p1)自反射，随着频率的增大衰减几乎成为等斜率的直线，说明此端口匹配在这一频段随频率的增大而越来越好。

s(p1,p2)、s(p1,p4)分别表示在和支路和差支路的输出情况，随频率的增高两者互相靠近（但都有3-5DB的衰减）。接近理论所述:等幅输出。

s(p1,p3)作为对口本来是隔离，但是隔离度并没有那么大，在这一频段最多-10DB，其隔离情况远差于和差两端口的隔离。

②其场分布图

动态场分布图：

分析：从图中可以清楚的看出，尽管对口存在隔离，但并不是完全隔离，并不是理想的零输出。隔离程度不是很大，不如和差器的对口隔离好。

⑶以端口2沿（X轴正方向的端口）为P1口设激励

①其S参数显示如图：

分析：比较此图与第一次的激励所处的图，可以发现自发射系数的衰减减小，对口隔离的一端衰减一直在-55到-60DB，几乎没有波在隔离端口输出。而在其他两端仍然是等幅度输出，并有一定的衰减。

②其场分布图

动态场分布图：

分析：可以看出在沿z轴的端口即对口处几乎无波输出，也就实现了对口隔离。

（4）以端口3沿（X轴正方向的端口）为P1口设激励

①其S参数显示如图：

分析：比较上图与端口一为激励时的图，发现两图几乎相同，说明端口1,3有相同的特性。在此不再重述。

②其场分布图

动态场分布图：

分析：场分布与端口1相同。

观察四个端口的激励，经过对比，总结如下：

1、魔T实现对口隔离，但是和差支路的隔离明显比另外两个对口的隔离要好。前者在设定频段为-50到-60DB，而后者只在10db左右。

2、魔T的端口1、3特性非常相似，S参数图和场分布图很接近。

3、差支路的匹配比和支路好，前者自反射系数在-10DB，而后者在5DB左右。

4、几个端口都能实现邻口3DB的耦合。只是由于其他原因衰减会大于3db。

六、实验感想

通过这次实验，学会了使用HFSS设计魔T。设计过程中，出现了很多问题比如说魔T 的组合，由于有些块未被选中，结果不能显示相互之间的反射系数；对于换端口设激励时，要先画出激励端口，也是尝试很多次才知道的。对于这样一个简单的设计，却花费了我两天的时间，分析探索真的很不容易。不过很欣慰的是，我从自己的设计中的得出我以前不知道的结论，还有也自己验证了以前学过的理论。课设完成后经过自己的归纳总结，发现自己去设计，然后发现问题，思考问题，得出结论的过程（虽然有些结论自己不知如何解释）也是很有意思的。

七、参考资料

1、《微波技术与天线》学观、郭辉萍电子科技大学；

2、《微波技术与天线课程设计指导书》