微波工程CAD實驗_實驗報告模板

1、電子科技大學 物理電子學院 學院標 準 實 驗 報 告（實驗）課程名稱 微波工程CAD實驗 電子科技大學教務(wù)處制表電 子 科 技 大 學實 驗 報 告學生姓名：劉科汛 學 號：201122040421 指導教師： 朱兆君實驗地點：物電樓501 實驗時間：2012年5月7月一、實驗室名稱：CST中國培訓中心(華南區(qū))二、實驗項目名稱：CST Design Environment 2009仿真 三、實驗學時：20四、實驗原理：1. CST仿真軟件計算機輔助設(shè)計（computer Aided Design）簡稱 CAD，它是近20年發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。CST 軟件的特點是可以在微波、毫米波、乃至

2、光波頻段上，對各種無源電路和器件進行全三維數(shù)字模擬，并具備器件參掃和優(yōu)化功能，可直接以圖表形式給予直觀結(jié)果。運用CST軟件對設(shè)計微波器件有很大的幫助，利于節(jié)約成本和快速設(shè)計成品。2. 偶極子相控陣天線偶極子天線（dipole antenna）是一種簡單而又應用廣泛的天線，在無線電通訊、測量和測繪方面都能見這種天線。偶極子天線的一個特性是有一定的方向性，當改變它的臂長時，它的方向性圖會有變化。如下圖所示：但在實際的某些應用中，為了解決天線的方向性、增益問題，簡單的偶極子天線則明顯不夠，針對特定的需要，我們需要通過使用雙偶極子、對稱偶極子以至于天線陣列來產(chǎn)生更為尖銳的波束以及更強的天線增益。同時借

3、助于控制陣列天線的饋電幅度與相位，我們還可能生成一些另外一些的方向性圖，在民航空管系統(tǒng)，用于引導飛機著陸的儀表著陸系統(tǒng)(Instrument Landing System)與用于飛機位置探測的空管二次雷達(Secondary Surveillance Radar)均采用了這一原理。接下來我們將由雙偶極子天線來闡述偶極子相控陣天線的原理。D 為A 與B 天線之間的間距； 為接收點與兩個天線視軸的夾角； 為A 天線與B 天線信號到達接收點的行程差；E、E1 和E2 分別對應收到的合成信號、A 和B 天線發(fā)射的信號。圖 A 與B 分別為一個小于0.5 波長的偶極子天線或其它類型的天線；當接收點距離發(fā)

4、射點很遠時，A 與B 信號到達接收點的路徑可視作平行的。在不計傳播衰減和忽略 引起的信號衰減差的情況下，根據(jù)矢量合成原理：如果我們將A 與B 天線等幅度同相位饋電E0，則上式可寫成：式中， 即是矢量夾角又是信號傳播路徑差，經(jīng)弧度轉(zhuǎn)換后：式中， 為信號波長。從上式中，我們可以看出：1）當COS 項為n 時，E 可獲得最大值，即可以獲得兩個天線信號的疊加。當取多于兩天線的陣列天線并保持正確的相對關(guān)系時，可獲得每個天線信號的疊加。2）E 值有正負之分，反映了收到的信號的極性的變化，進一步分析后會得出相鄰波瓣的極性互為相反。3）天線間距D 與波長 的相對關(guān)系、即D 比 值和接收點的角度 決定了接收點的

5、信號強度。3. 微帶到波導轉(zhuǎn)換器微帶到波導轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖所示，波導壁位于x=0，x=a；y=0，y=b；段路面位于z=0，z1死段路面到微帶距離。X1和2w是經(jīng)書帶的長度與寬度，d2是介質(zhì)層的厚度，d3是金屬帶與y=0之間的距離。在一下分析中假定厚度為都的介質(zhì)片申至波導頂壁，假定y方向金屬帶無限薄，Z方向金屬帶無限窄，因而只考慮金屬帶上X方向電流。在譜域技術(shù)中，應用自反應概念，由微帶看入的E面轉(zhuǎn)換的輸入阻抗為式中符號表示付氏變換量。，分別的x，y，z付氏變換量，分別表示x方向電廠與電流分布，表示波導壁內(nèi)的輻射功率，Iin是參考面x=0處的總輸入電流，可由并矢格林函數(shù)和表示為其中 Ze，Zh可由譜

6、域中等效傳輸線法導出，轉(zhuǎn)換段橫向等效電路如圖所示其中，i=1,2，1，2為y方向傳播常數(shù)，可由下式導出r為相對介電常數(shù)，為角頻率，m，n為模數(shù)。 利用付氏變換和鏡像理論可將金屬帶上x方向的電流最終表示為式中k為介質(zhì)中波數(shù)，J0是輸入電流幅度。由于上兩式右邊存在極點，因而可從并矢格林函數(shù)中確定mn。一旦求得mn，在最初式中應用留數(shù)定理，則輸入阻抗最終表示為在參考面x=0處駐波比由下式給出Z0為微帶線特性阻抗，Rin，Xin分別為輸入阻抗Zin的實部與虛部。五、實驗目的：通過對CST軟件的學習，掌握一些基本的微波結(jié)構(gòu)的仿真以及設(shè)計，了解如何對結(jié)果進行優(yōu)化。六、實驗內(nèi)容：（1） 偶極子相控陣天線的仿

7、真與優(yōu)化：偶極子天線尺寸如下圖，在412GHz的頻率范圍內(nèi)，請優(yōu)化單個偶極子天線的工作頻率諧振在f0=8GHz，待優(yōu)化的變量Lambda初值取為29mm，繪出在該工作頻率點的方向圖，注意間隙之間賦離散端口和對稱面的使用(xz和yz是磁對稱，xy是電對稱)；將該單個天線在x和y方向分別以Lambda/4作為空間間隙、以90度作為相位間隙，擴展成一個2*2的相控陣天線陣，請使用三種方法計算該天線陣的方向圖。 （2）微帶到波導轉(zhuǎn)換的仿真與優(yōu)化：在2630GHz頻率范圍內(nèi)優(yōu)化下圖微帶到波導的轉(zhuǎn)換，使全頻帶反射最小，并繪出中心頻點28GHz的電場、磁場與表面電流的分布；微帶是Duroid5880基片，介

8、電常數(shù)2.2，基片厚0.254mm，金屬層厚0.017mm，介質(zhì)上的空氣尺寸3*1*8mm，標準50歐姆微帶線寬0.77mm；波導是Ka波段的BJ320波導，尺寸7.112*3.556*10mm；L是微帶基片底面到波導短路面距離，W0*L0是伸入波導中的微帶探針的寬與長，W1*L1是第一段變阻線的寬與長，W2*L2是第二段變阻線的寬與長，7個待優(yōu)化變量可取下圖給的初值。七、實驗器材（設(shè)備、元器件）：臺式計算機30臺；CST Design Environment 2009仿真軟件；U盤（學生自備）。八、實驗步驟：第一題：偶極子相控陣天線的仿真與優(yōu)化（1）單個偶極子天線的仿真及優(yōu)化a打開CST2009，選擇模版b. 創(chuàng)建天線陣子c. 創(chuàng)建間隙處圓柱，并減去間隙處圓柱d創(chuàng)