微波工程CAD實(shí)驗(yàn)_實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板

1、電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院 學(xué)院標(biāo) 準(zhǔn) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告（實(shí)驗(yàn)）課程名稱 微波工程CAD實(shí)驗(yàn) 電子科技大學(xué)教務(wù)處制表電 子 科 技 大 學(xué)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告學(xué)生姓名：劉科汛 學(xué) 號(hào)：201122040421 指導(dǎo)教師： 朱兆君實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：物電樓501 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2012年5月7月一、實(shí)驗(yàn)室名稱：CST中國(guó)培訓(xùn)中心(華南區(qū))二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：CST Design Environment 2009仿真 三、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：20四、實(shí)驗(yàn)原理：1. CST仿真軟件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer Aided Design）簡(jiǎn)稱 CAD，它是近20年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)。CST 軟件的特點(diǎn)是可以在微波、毫米波、乃至

2、光波頻段上，對(duì)各種無(wú)源電路和器件進(jìn)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(yùn)用CST軟件對(duì)設(shè)計(jì)微波器件有很大的幫助，利于節(jié)約成本和快速設(shè)計(jì)成品。2. 偶極子相控陣天線偶極子天線（dipole antenna）是一種簡(jiǎn)單而又應(yīng)用廣泛的天線，在無(wú)線電通訊、測(cè)量和測(cè)繪方面都能見(jiàn)這種天線。偶極子天線的一個(gè)特性是有一定的方向性，當(dāng)改變它的臂長(zhǎng)時(shí)，它的方向性圖會(huì)有變化。如下圖所示：但在實(shí)際的某些應(yīng)用中，為了解決天線的方向性、增益問(wèn)題，簡(jiǎn)單的偶極子天線則明顯不夠，針對(duì)特定的需要，我們需要通過(guò)使用雙偶極子、對(duì)稱偶極子以至于天線陣列來(lái)產(chǎn)生更為尖銳的波束以及更強(qiáng)的天線增益。同時(shí)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(dǎo)飛機(jī)著陸的儀表著陸系統(tǒng)(Instrument Landing System)與用于飛機(jī)位置探測(cè)的空管二次雷達(dá)(Secondary Surveillance Radar)均采用了這一原理。接下來(lái)我們將由雙偶極子天線來(lái)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(diǎn)與兩個(gè)天線視軸的夾角； 為A 天線與B 天線信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的行程差；E、E1 和E2 分別對(duì)應(yīng)收到的合成信號(hào)、A 和B 天線發(fā)射的信號(hào)。圖 A 與B 分別為一個(gè)小于0.5 波長(zhǎng)的偶極子天線或其它類型的天線；當(dāng)接收點(diǎn)距離發(fā)

4、射點(diǎn)很遠(yuǎn)時(shí)，A 與B 信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的路徑可視作平行的。在不計(jì)傳播衰減和忽略 引起的信號(hào)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(xiě)成：式中， 即是矢量夾角又是信號(hào)傳播路徑差，經(jīng)弧度轉(zhuǎn)換后：式中， 為信號(hào)波長(zhǎng)。從上式中，我們可以看出：1）當(dāng)COS 項(xiàng)為n 時(shí)，E 可獲得最大值，即可以獲得兩個(gè)天線信號(hào)的疊加。當(dāng)取多于兩天線的陣列天線并保持正確的相對(duì)關(guān)系時(shí)，可獲得每個(gè)天線信號(hào)的疊加。2）E 值有正負(fù)之分，反映了收到的信號(hào)的極性的變化，進(jìn)一步分析后會(huì)得出相鄰波瓣的極性互為相反。3）天線間距D 與波長(zhǎng) 的相對(duì)關(guān)系、即D 比 值和接收點(diǎn)的角度 決定了接收點(diǎn)的

5、信號(hào)強(qiáng)度。3. 微帶到波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器微帶到波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖所示，波導(dǎo)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(shū)帶的長(zhǎng)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(dǎo)頂壁，假定y方向金屬帶無(wú)限薄，Z方向金屬帶無(wú)限窄，因而只考慮金屬帶上X方向電流。在譜域技術(shù)中，應(yīng)用自反應(yīng)概念，由微帶看入的E面轉(zhuǎn)換的輸入阻抗為式中符號(hào)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)出r為相對(duì)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(chóng)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(diǎn)，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(yīng)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(shí)部與虛部。五、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)對(duì)CST軟件的學(xué)習(xí)，掌握一些基本的微波結(jié)構(gòu)的仿真以及設(shè)計(jì)，了解如何對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。六、實(shí)驗(yàn)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(qǐng)優(yōu)化單個(gè)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(diǎn)的方向圖，注意間隙之間賦離散端口和對(duì)稱面的使用(xz和yz是磁對(duì)稱，xy是電對(duì)稱)；將該單個(gè)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(kuò)展成一個(gè)2*2的相控陣天線陣，請(qǐng)使用三種方法計(jì)算該天線陣的方向圖。 （2）微帶到波導(dǎo)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(dǎo)的轉(zhuǎn)換，使全頻帶反射最小，并繪出中心頻點(diǎn)28GHz的電場(chǎng)、磁場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)50歐姆微帶線寬0.77mm；波導(dǎo)是Ka波段的BJ320波導(dǎo)，尺寸7.112*3.556*10mm；L是微帶基片底面到波導(dǎo)短路面距離，W0*L0是伸入波導(dǎo)中的微帶探針的寬與長(zhǎng)，W1*L1是第一段變阻線的寬與長(zhǎng)，W2*L2是第二段變阻線的寬與長(zhǎng)，7個(gè)待優(yōu)化變量可取下圖給的初值。七、實(shí)驗(yàn)器材（設(shè)備、元器件）：臺(tái)式計(jì)算機(jī)30臺(tái)；CST Design Environment 2009仿真軟件；U盤(pán)（學(xué)生自備）。八、實(shí)驗(yàn)步驟：第一題：偶極子相控陣天線的仿真與優(yōu)化（1）單個(gè)偶極子天線的仿真及優(yōu)化a打開(kāi)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)