微波工程CAD期末设计报告1[整理版]

1、电 子 科 技 大 学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA微波工程CAD期末设计报告设计题目：矩形波导到微带的转换电路姓 名：学 号：专 业：电子与通信工程学 院：物理电子学院授课教师：贾宝福Ka波段波导-微带转换电路摘 要:本文在了解矩形波导、微带线的传输理论及分析了Ka波段波导-微带转换电路的特性后，利用HFSS仿真软件对它进行仿真并优化，设计出了Ka波段波导-微带转换电路。满足实验要求：在Ka频段26.5GHz40GHz内的输入/输出驻波比1.2，插入损耗1.0dB。关键词：Ka波段，微带线，矩形波导，HFSS，

2、转换电路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

4、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。本文分析了Ka波段波导-微带探针转换的微波特性，设计了宽频带Ka 波段波导微带转换器，并用HFSS软件对它进行仿真分析和验证，其仿真结果达到理想中的预期值。2. 特性分析及设计思路2.1 矩形波导的传输理论在矩形波导中最低次模是模，它的各场表达式为： （1）由决定的频率称为截止频率，用表示；相应的波长称为截至波长，用表示。对于矩形波导中的模，求得其截至波长为： （2）波导中某传输模相邻两同位面之间的轴向距离称为该模的波导波长，用表示为： （3）波导中的波型阻抗简称为波阻抗

5、，定义为该波型的横向电场与横向磁场之比，即： （4）2.2 微带线的传输理论微带线是一种双导体传输系统，它可以看成是由双导线演变而成的。假如微带线的中心导体带与接地板之间没有介质，或者整个微带线由一种均匀介质包围，则可以传输TEM模。但是，微带线中有两种介质，导体带上面我空气，导体带下面为介质基片，存在着空气-介质分界面，这种混合介质系统给微带的分析和设计带来了一定的复杂性。微带线中空气-介质分界面的存在，也使微带结构中不可能存在纯TEM模。经分析我们可以知道，微带线结构中模式的非TEM性质，是由于空气-介质界面处的边缘场分量和引起的，而与导体带下面基片中的场量相比，这些边缘场分量很小，所以微

6、带中模的特性与TEM模相差很小，称之为准TEM模2.3 设计思路波导与微带的过渡，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，探针电流是无限细的线电流形式： （5）其中d为探针插入深度，可以由此求出微带底部的

7、输入电阻： （6）式中为辐射到波导的功率，为高次模激励的存在于探针周围所储的无功能量的净时间平均值。用已求得的，可得探针的辐射电阻： （7）同理，可得TE10模对总的输入电抗： （8）从式（3），（4）可看出：、随参数L（短路活塞的位置）、d （探针插入的深度）的变化而变化，通过调整使其等于微带的特性阻抗，并调整以抵消激励高次模的电抗，这样使探针在波导内处于最大电压，即电场最强的波腹位置，同时波导终端短路长度取 / 4，因为终端短路后，波导内形成驻波，波节间距离为 / 2，取 / 4的短路长度，以达到尽量高的耦合效率, 使其传输的功率达到最大值。在探针耦合设计中，探针的输入阻抗是探针宽度、长度

8、、波导终端短路距离以及频率的函数，由于探针过渡具有容性电抗，用一段高感抗线抵消其电容效应，这样可以减小插损，但频带的宽度相应地减小了，然后可以利用四分之一阻抗变换器实现与50 标准微带线的阻抗匹配。3 仿真分析和实验研究根据以上特性分析，对探针方向与波传播方向垂直的转换结构进行电磁仿真，采用HFSS仿真软件建立仿真模型。其整体结构见图1 所示。图 1设计中所采用的波导为BJ320型号标准矩形波导，其尺寸为，。对波段，中心频率，其波长为，故四分之一波长为。将波导一端短路，设置探针距离波导短路面的初值为。微带线介质基片采用Duroid 5880，厚度为，介电常数，微带线导体带设置为厚度为的理想导体（PEC）边界。微带线上的空气腔体的高度大于5倍介质基片厚度，宽度大于5倍微带线导体带的宽度。为了方便测试，这里采用阻抗为50欧姆的微带线，经过AWR的计算，50欧姆的微带线导体带的宽度为。设计模型如图2:图2参数扫描结果如下:图3 插入损耗图4 驻波比优化设计:优化结果如下:图5 插入损耗图6 驻波比设计结果分析：通过多次仿真计算结果表明，探针长度及宽度对过度带的S11系数有影响，原因如下：第一，探针对1/4短路面形成的驻波耦合大小的变化，使得探针宽度影响耦合量，通过优化得出结果。第二，高阻线的宽度也对设计的S11参数有影响，从本结构的仿真过程来看，宽度越窄，对S11的参数越好，