微波工程CAD期末設(shè)計(jì)報(bào)告1[整理版]

1、電 子 科 技 大 學(xué)UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA微波工程CAD期末設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：矩形波導(dǎo)到微帶的轉(zhuǎn)換電路姓 名：學(xué) 號(hào)：專 業(yè)：電子與通信工程學(xué) 院：物理電子學(xué)院授課教師：賈寶福Ka波段波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換電路摘 要:本文在了解矩形波導(dǎo)、微帶線的傳輸理論及分析了Ka波段波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換電路的特性后，利用HFSS仿真軟件對(duì)它進(jìn)行仿真并優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了Ka波段波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換電路。滿足實(shí)驗(yàn)要求：在Ka頻段26.5GHz40GHz內(nèi)的輸入/輸出駐波比1.2，插入損耗1.0dB。關(guān)鍵詞：Ka波段，微帶線，矩形波導(dǎo)，HFSS，

2、轉(zhuǎn)換電路Abstract：After the understanding about the transmission theory of rectangular waveguide and micro-strip line and the analysis of the speciality of Ka-band waveguide micro-strip transform circuit, this paper will design the Ka-band waveguide micro-strip transform circuit by the simulation and opt

3、imization of HFSS. It meets the requirements: the input/output standing wave ratio is 1.2 within the Ka frequency range 26.5GHz40GHz and the insertion loss is 1.0dB.Key word：Ka-band，Micro-strip, Waveguide, HFSS , Transform circuit1. 引言波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換電路是各種雷達(dá)、通訊、電子對(duì)抗等系統(tǒng)中最重要的一種無源轉(zhuǎn)接過渡，又是各系統(tǒng)的重要組成部分，它性能的好壞直接影響系統(tǒng)的

4、性能。隨著微波集成電路的發(fā)展，微帶線又是微波、低頻段毫米波電路的主要傳輸線，而實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)-微帶的過渡就成了人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。本文分析了Ka波段波導(dǎo)-微帶探針轉(zhuǎn)換的微波特性，設(shè)計(jì)了寬頻帶Ka 波段波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器，并用HFSS軟件對(duì)它進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證，其仿真結(jié)果達(dá)到理想中的預(yù)期值。2. 特性分析及設(shè)計(jì)思路2.1 矩形波導(dǎo)的傳輸理論在矩形波導(dǎo)中最低次模是模，它的各場(chǎng)表達(dá)式為： （1）由決定的頻率稱為截止頻率，用表示；相應(yīng)的波長(zhǎng)稱為截至波長(zhǎng)，用表示。對(duì)于矩形波導(dǎo)中的模，求得其截至波長(zhǎng)為： （2）波導(dǎo)中某傳輸模相鄰兩同位面之間的軸向距離稱為該模的波導(dǎo)波長(zhǎng)，用表示為： （3）波導(dǎo)中的波型阻抗簡(jiǎn)稱為波阻抗

5、，定義為該波型的橫向電場(chǎng)與橫向磁場(chǎng)之比，即： （4）2.2 微帶線的傳輸理論微帶線是一種雙導(dǎo)體傳輸系統(tǒng)，它可以看成是由雙導(dǎo)線演變而成的。假如微帶線的中心導(dǎo)體帶與接地板之間沒有介質(zhì)，或者整個(gè)微帶線由一種均勻介質(zhì)包圍，則可以傳輸TEM模。但是，微帶線中有兩種介質(zhì)，導(dǎo)體帶上面我空氣，導(dǎo)體帶下面為介質(zhì)基片，存在著空氣-介質(zhì)分界面，這種混合介質(zhì)系統(tǒng)給微帶的分析和設(shè)計(jì)帶來了一定的復(fù)雜性。微帶線中空氣-介質(zhì)分界面的存在，也使微帶結(jié)構(gòu)中不可能存在純TEM模。經(jīng)分析我們可以知道，微帶線結(jié)構(gòu)中模式的非TEM性質(zhì)，是由于空氣-介質(zhì)界面處的邊緣場(chǎng)分量和引起的，而與導(dǎo)體帶下面基片中的場(chǎng)量相比，這些邊緣場(chǎng)分量很小，所以微

6、帶中模的特性與TEM模相差很小，稱之為準(zhǔn)TEM模2.3 設(shè)計(jì)思路波導(dǎo)與微帶的過渡，類似于波導(dǎo)到同軸的轉(zhuǎn)接，也就是微帶插入波導(dǎo)形成探針。由電磁理論知：任意一個(gè)沿探針方向的具有非零電場(chǎng)的波導(dǎo)模在探針的表面激勵(lì)起電流，根據(jù)互易定理，當(dāng)微帶線上準(zhǔn)TEM 模向波導(dǎo)入射時(shí)產(chǎn)生的電流也同樣激勵(lì)起波導(dǎo)模。為了與矩形波導(dǎo)的主模TE10 耦合最緊，根據(jù)波導(dǎo)與微帶模式電場(chǎng)場(chǎng)分布的特點(diǎn)，微帶線作為探針從波導(dǎo)的寬邊中心插入，置入TE10 模電場(chǎng)強(qiáng)度的最大處。由于探針的末端電流為零，故對(duì)于細(xì)的微帶探針來說，假設(shè)其 電流是均勻按正弦駐波分布，探針電流是無限細(xì)的線電流形式： （5）其中d為探針插入深度，可以由此求出微帶底部的

7、輸入電阻： （6）式中為輻射到波導(dǎo)的功率，為高次模激勵(lì)的存在于探針周圍所儲(chǔ)的無功能量的凈時(shí)間平均值。用已求得的，可得探針的輻射電阻： （7）同理，可得TE10模對(duì)總的輸入電抗： （8）從式（3），（4）可看出：、隨參數(shù)L（短路活塞的位置）、d （探針插入的深度）的變化而變化，通過調(diào)整使其等于微帶的特性阻抗，并調(diào)整以抵消激勵(lì)高次模的電抗，這樣使探針在波導(dǎo)內(nèi)處于最大電壓，即電場(chǎng)最強(qiáng)的波腹位置，同時(shí)波導(dǎo)終端短路長(zhǎng)度取 / 4，因?yàn)榻K端短路后，波導(dǎo)內(nèi)形成駐波，波節(jié)間距離為 / 2，取 / 4的短路長(zhǎng)度，以達(dá)到盡量高的耦合效率, 使其傳輸?shù)墓β蔬_(dá)到最大值。在探針耦合設(shè)計(jì)中，探針的輸入阻抗是探針寬度、長(zhǎng)度

8、、波導(dǎo)終端短路距離以及頻率的函數(shù)，由于探針過渡具有容性電抗，用一段高感抗線抵消其電容效應(yīng)，這樣可以減小插損，但頻帶的寬度相應(yīng)地減小了，然后可以利用四分之一阻抗變換器實(shí)現(xiàn)與50 標(biāo)準(zhǔn)微帶線的阻抗匹配。3 仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究根據(jù)以上特性分析，對(duì)探針方向與波傳播方向垂直的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁仿真，采用HFSS仿真軟件建立仿真模型。其整體結(jié)構(gòu)見圖1 所示。圖 1設(shè)計(jì)中所采用的波導(dǎo)為BJ320型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，其尺寸為，。對(duì)波段，中心頻率，其波長(zhǎng)為，故四分之一波長(zhǎng)為。將波導(dǎo)一端短路，設(shè)置探針距離波導(dǎo)短路面的初值為。微帶線介質(zhì)基片采用Duroid 5880，厚度為，介電常數(shù)，微帶線導(dǎo)體帶設(shè)置為厚度為的理想導(dǎo)體（PEC）邊界。微帶線上的空氣腔體的高度大于5倍介質(zhì)基片厚度，寬度大于5倍微帶線導(dǎo)體帶的寬度。為了方便測(cè)試，這里采用阻抗為50歐姆的微帶線，經(jīng)過AWR的計(jì)算，50歐姆的微帶線導(dǎo)體帶的寬度為。設(shè)計(jì)模型如圖2:圖2參數(shù)掃描結(jié)果如下:圖3 插入損耗圖4 駐波比優(yōu)化設(shè)計(jì):優(yōu)化結(jié)果如下:圖5 插入損耗圖6 駐波比設(shè)計(jì)結(jié)果分析：通過多次仿真計(jì)算結(jié)果表明，探針長(zhǎng)度及寬度對(duì)過度帶的S11系數(shù)有影響，原因如下：第一，探針對(duì)1/4短路面形成的駐波耦合大小的變化，使得探針寬度影響耦合量，通過優(yōu)化得出結(jié)果。第二，高阻線的寬度也對(duì)設(shè)計(jì)的S11參數(shù)有影響，從本結(jié)構(gòu)的仿真過程來看，寬度越窄，對(duì)S11的參數(shù)越好，