屏蔽微带的静态分析

提交时间：15/1/9电动力学课程有限元软件Ansys项目报告屏蔽微带传输线静态分析关键词：屏蔽微带电压分布电场分布特征阻抗目录一、项目背景.............................................................................................1二、模型建立.............................................................................................2三、实际操作.............................................................................................3四、结果分析.............................................................................................51编制后处理量表.................................................................................52查看电压分布图并与成熟数值计算结果对比.........................................53查看电场分布图.................................................................................64得出屏蔽微带特征阻抗并与理论值比较：............................................7四、项目总结.............................................................................................8能源与动力工程学院1一、项目背景微带线是一种重要的微波传输线，其结构如下图所示。它是由介质基片上的导带和基片下面的接地板构成。微带线容易实现微带电路的小型化和集成化，所以微带线在微波集成电路中获得了广泛的应用。微带线的结构如图所示。它由一个宽度为w、厚度为t的中心导带和下金属接地板组成，导带和接地板之间填充εr的均匀介质。微带线传输的电磁波不是纯粹的横电磁波,其电磁场结构接近横电磁波(又称准TEM波)其用途十分广泛，具体有：1高频微波信号的传输线。2高速脉冲发生器,在仪器电路中采用微带线进行高速脉冲传输,从而消除了电路板分布参数对脉冲前、后沿的影响,提高了仪器输出脉冲信号的各项参数指标。2在微带传输线原理基础上由特异材料构成一维光子晶体。3在毫米波天线阵中的应用。4在宽频微带正交功分器中的应用。据此，我们有兴趣对微带传输线的一些传输特性做一分析，使用的平台为ansys有限元分析软件，建立了简单的屏蔽微带传输线的有限元模型，分析了其电位，电场分布情况，计算了特征阻抗并与理论值相比较。理论值以经验公式及较成熟的数值计算结果为依据。能源与动力工程学院2二、模型建立项目选用外加屏蔽盒的屏蔽微带进行模拟，这种微带能降低传输损耗，计算它更具有实际意义，其示意图如下。（屏蔽微带传输线结构示意图）（屏蔽微带传输线截面示意图）为简便计算模拟，我将模型做如下几点简化及处理：1将屏蔽盒下边界认为与基片平齐并拥有相同电位。2进行微带线截面分析，将三维问题转化为二维模拟3导体带不具有厚度，即h=0，这点导致与其他模拟计算结论有较大差异，在结果分析中将给出更详细内容。4因结构具有对称性，为减小计算量我们只计算结构的右半部分，加三个边界条件而把对称轴所位置不做边界条件约束。经以上几点简化处理后，最终实际建立的模型如下图所示另外，设空气介电常数为1，而基片材料介电常数为10导体带电压为1.5V，上下右三边边界条件（屏蔽壳）为0.5V，左侧（原对称轴）不加边界条件L5mmb0.5mma1mmH10mmH能源与动力工程学院3三、实际操作1建立求解类型：PLANE121（为一个平面模型）2设定材料属性：主要是空气及基体片介电常数设定：3实体建模：材料二εr10材料一εr1重复更改顶点坐标位置的操作，建立左侧图示四个区域，下面两个为基片，上面两个区域为空气介质层能源与动力工程学院44赋予实体区域以材料属性：（下两区域赋予εr=10，上两区域赋予εr=1）5划分网格：（划分面：智能划分网格，size=3，三角形网格）（划分线：划分所有的线，方便加载与施加边界条件）6加载：给导体带（y=1，x=0~0.5的线）加载1.5V电压；上、下、右三个边界加0.5V边界条件。7求解：solve-CurrentLS能源与动力工程学院5四、结果分析1编制后处理量表（提取能量，电场力x，y分量）2查看电压分布图并与成熟数值计算结果对比可以看到电压快速从导体带附近下降到一个较低值，而外部蓝色区域电压已经与屏蔽壳一致。下面对比较成熟数值计算结果。能源与动力工程学院6对比成熟数值计算结果：可以看出本次模拟结果与成熟数值计算结果图在细节上有一定区别，主要在于：（1）本次模拟忽略了导体带厚度，而成熟数值计算并未忽略该厚度。（2）本次模拟认为基片下表面与屏蔽壳为同一电位，而成熟数值计算显然认为下表面为自由界面，故并未施加电位约束。但是，两结果的基本图形还是保持着极大相似性。在定性方面，可以认为结果是一致的3查看电场分布图与电压分布相类似，也可以看出电场主要分布于导体带附近，分布较为集中。能源与动力工程学院74得出屏蔽微带特征阻抗并与理论值比较：具体步骤为：（1）提取截面总能量W（2）C0=2W/ΔE(ΔE为屏蔽壳与导体带电压差，为1V)（3）Z=1/(c*C0)（其中c为光速，即1/SQRT(ε0μ0)）可得Z=36.298Ω对比公式导出值：Z0=[87*ln[(5.98h)/(0.8w+t)]]/SQRT(εr+1.41)=51.81(0.5w/t2)得到理论值为51.81Ω，此数值正与我国微带传输线标准值50Ω吻合。但与模拟结果有较大出入。下面具体分析原因：（1）理论公式要求0.5w/t2，超出时本身具有较大误差,t为导体带厚度，此次模拟中以0处理，则公式显然不完全适合本次模拟。（2）理论公式为普通微带传输线（无屏蔽壳）计算公式，本次模拟为屏蔽微带传输线（有屏蔽壳），故模拟结果与理论计算出现较大差异。（3）模拟结果显示屏蔽壳可以一定程度上降低微带传输线在传输微波信号时的特征阻抗，提高了信号传输效率与能力。能源与动力工程学院8四、项目总结1项目思路：项目为屏蔽微带传输线静态特性分析。将屏蔽微带模型进行三点简化后，以屏蔽微带半截面作为分析对象，在ansys有限元分析软件平台上实现对其电压电场分布，特征阻抗等的分析并分别对比理论或成熟的数值计算值。2项目难点：项目在进行过程中，在网上查找资料及理论基础十分困难，屏蔽微带的介绍偏科普性没有太大价值。后来通过查阅论文才找到理论计算方法与相关知识。在建模过程中并未遇到太大阻力。3项目结论：在定性方面，本次模拟结果较好符合理论及成熟数值计算结果。在定量方面，因为本次模拟追求小计算量而做出大量近似及简化条件，使得结果不是十分精确吻合理论计算值。但不存在量级式的明显错误数据。显示模拟在一定程度上具有可靠性。重要的是，通过对屏蔽微带特征阻抗的模拟值与计算值对比，还得出本次模拟较重要的结论，即屏蔽壳对微带传输线特征阻抗的减小作用。也说明了屏蔽壳对微带传输中的能量损耗有减小作用。4项目心得：通过本次ansys项目的实践，更好了解了有限元分析思想与方法，更好掌握了ansys软件使用方法，积累了一些操作心得与经验。并且在查阅资料过程中，自学到很多关于屏蔽微带，普通微带，甚至其他类型传输线的相关知识。这种独立解决问题的经历十分珍贵与难得。5项目应改进之处：应进一步优化模型，增加导体带厚度这一要素，并完整做出一个截面而非半截面，以观察是否与本次模拟有较大差异。另外还可以做出屏蔽微带和普通微带两种模型的结果及数据并进行对比，进一步验证本次项目得出的“屏蔽壳对特征阻抗减小作用”的结论。