微波工程CAD实验全解

1电子科技大学物理电子学院学院标准实验报告（实验）课程名称微波工程CAD实验电子科技大学教务处制表2电子科技大学实验报告学生姓名：学号：指导教师：朱兆君实验地点：211大楼206实验时间：3-11周周五5-8节一、实验室名称：CST中国培训中心(华南区)二、实验项目名称：CSTDesignEnvironment2009仿真三、实验学时：20四、实验原理：1.CST仿真软件计算机辅助设计（computerAidedDesign）简称CAD，它是近20年发展起来的一门新兴技术。CST软件的特点是可以在微波、毫米波、乃至光波频段上，对各种无源电路和器件进行全三维数字模拟，并具备器件参扫和优化功能，可直接以图表形式给予直观结果。运用CST软件对设计微波器件有很大的帮助，利于节约成本和快速设计成品。2.偶极子相控阵天线偶极子天线（dipoleantenna）是一种简单而又应用广泛的天线，在无线电通讯、测量和测绘方面都能见这种天线。偶极子天线的一个特性是有一定的方向性，当改变它的臂长时，它的方向性图会有变化。但在实际的某些应用中，为了解决天线的方向性、增益问题，简单的偶极子天线则明显不够，针对特定的需要，我们需要通过使用双偶极子、对称偶极子以至于天线阵列来产生更为尖锐的波束以及更强的天线增益。同时借助于控制阵列天线的馈电幅度与相位，我们还可能生成一些另外一些的方向性图，在民航空管系统，用于引导飞机着陆的仪表着陆系统(InstrumentLandingSystem)与用于飞机位置探测的空管二次雷达(SecondarySurveillanceRadar)均采用了这一原理。3.微带到波导转换器波导-微带转换电路是各种雷达、通讯、电子对抗等系统中最重要的一种无源转接过渡，又是各系统的重要组成部分，它性能的好坏直接影响系统的性能。随着微波集成电路的发展，微带线又是微波、低频段毫米波电路的主要传输线，而实现波导-微带的过渡就成了人们日益关注的问题。波导与微带的过渡，类似于波导到同轴的转接，也就是微带插入波导形成探针。由电磁理论知：任意一个沿探针方向的具有非零电场的波导模在探针的表面激励起电流，根据互易定理，当微带线上准TEM模向波导入射时产生的电流也同样激励起波导模。为了与矩形波导的主模TE10耦合最紧，根据波导与微带模式电场场分布的特点，微带线作为探针从波导的宽边中心插入，置入TE10模电场强度的最大处。由于探针的末端电流为零，故对于细的微带探针来说，假设其电流是均匀按正弦驻波分布。五、实验目的：3通过对CST软件的学习，掌握一些基本的微波结构的仿真以及设计，了解如何对结果进行优化。六、实验内容：第一题偶极子相控阵天线的仿真与优化：①偶极子天线尺寸如下图，在4~12GHz的频率范围内，请优化单个偶极子天线的工作频率谐振在f0=8GHz，待优化的变量Lambda初值取为29mm，绘出在该工作频率点的方向图；②将该单个天线在x和y方向分别以Lambda/4作为空间间隙、以90度作为相位间隙，扩展成一个2*2的相控阵天线阵，请使用三种方法计算该天线阵的方向图；③对结果进行比较、分析和讨论。【CST】第二题微带到波导转换的仿真与优化：在26~30GHz频率范围内优化下图微带到波导的转换，使全频带反射尽可能小，并绘出中心频点28GHz的电场、磁场的分布；微带是Duroid5880基片，介电常数2.2，基片厚0.254mm，金属层厚0.035mm，介质上的空气尺寸3*1*8mm，标准50欧姆微带线宽0.77mm；波导是Ka波段的BJ320波导，尺寸7.112*3.556*10mm；L是微带基片底面到波导短路面距离，W0*L0是伸入波导中的微带探针的宽与长，W1*L1是第一段变阻线的宽与长，W2*L2是第二段变阻线的宽与长，7个待优化变量可取下图给的初值。【HFSS】4七、实验器材（设备、元器件）：台式计算机70台；CST、HFSS仿真软件；U盘（学生自备）。八、实验步骤：第一题：偶极子相控阵天线的仿真与优化a．模型的建立5b.S参数的优化c.2*2的相控阵天线阵的拓展和三种方法计算方法1：6方法2：7方法3:对结果进行分析解释:有上图可知：第一题：LAM优化结果31.9mm方法1：Theta=90，Phi=225方法2：Theta=90，Phi=45方法3：Theta=90，Phi=45同时可以看出三种方法的比较1.由单个天线计算天线阵：未考虑天线结构之间的耦合,未考虑激励之间的影8响。2.整体模型，单独串行激励计算辐射场：仅考虑天线结构之间的相互影响。3.整体模型，同时并行激励：同时考虑结构的相互影响和激励之间的相互影响。第二题：微带到波导转换的仿真与优化a．模型的建立b.优化参数的设定c.添加扫频和优化9d．10对结果进行分析解释：参数进行优化以后。反射可以基本达到-10DB以下十、实验结论：第一题：LAM优化结果31.9mm方法1：Theta=90，Phi=225方法2：Theta=90，Phi=45方法3：Theta=90，Phi=45第二题：参数进行优化以后。反射可以基本达到-10DB以下十一、总结及心得体会：通过对三维仿真软件CST和HFSS的学习，对各种无源电路和器件进行全三维数字模拟。对一些典型的三维结构进行电磁仿真和优化设计，对以前学过的微波技术及微波工程等理论课程的巩固和提高，同时也培养了自己独立承担微波器件开发的信心和能力。十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议报告评分：指导教师签字：