微波工程CAD实验_实验报告模板

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电 子 科 技 大 学实 验 报 告学生姓名：刘科汛 学 号：201122040421 指导教师： 朱兆君实验地点：物电楼501 实验时间：2012年5月7月一、实验室名称：CST中国培训中心(华南区)二、实验项目名称：CST Design Environment 2009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（computer Aided Design）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

2、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（dipole antenna）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。如下图所示：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

3、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(Instrument Landing System)与用于飞机位置探测的空管二次雷达(Secondary Surveillance Radar)均采用了这一原理。接下来我们将由双偶极子天线来阐述偶极子相控阵天线的原理。D 为A 与B 天线之间的间距； 为接收点与两个天线视轴的夹角； 为A 天线与B 天线信号到达接收点的行程差；E、E1 和E2 分别对应收到的合成信号、A 和B 天线发射的信号。图 A 与B 分别为一个小于0.5 波长的偶极子天线或其它类型的天线；当接收点距离发

4、射点很远时，A 与B 信号到达接收点的路径可视作平行的。在不计传播衰减和忽略 引起的信号衰减差的情况下，根据矢量合成原理：如果我们将A 与B 天线等幅度同相位馈电E0，则上式可写成：式中， 即是矢量夹角又是信号传播路径差，经弧度转换后：式中， 为信号波长。从上式中，我们可以看出：1）当COS 项为n 时，E 可获得最大值，即可以获得两个天线信号的叠加。当取多于两天线的阵列天线并保持正确的相对关系时，可获得每个天线信号的叠加。2）E 值有正负之分，反映了收到的信号的极性的变化，进一步分析后会得出相邻波瓣的极性互为相反。3）天线间距D 与波长 的相对关系、即D 比 值和接收点的角度 决定了接收点的

5、信号强度。3. 微带到波导转换器微带到波导转换结构如图所示，波导壁位于x=0，x=a；y=0，y=b；段路面位于z=0，z1死段路面到微带距离。X1和2w是经书带的长度与宽度，d2是介质层的厚度，d3是金属带与y=0之间的距离。在一下分析中假定厚度为都的介质片申至波导顶壁，假定y方向金属带无限薄，Z方向金属带无限窄，因而只考虑金属带上X方向电流。在谱域技术中，应用自反应概念，由微带看入的E面转换的输入阻抗为式中符号表示付氏变换量。，分别的x，y，z付氏变换量，分别表示x方向电厂与电流分布，表示波导壁内的辐射功率，Iin是参考面x=0处的总输入电流，可由并矢格林函数和表示为其中 Ze，Zh可由谱

6、域中等效传输线法导出，转换段横向等效电路如图所示其中，i=1,2，1，2为y方向传播常数，可由下式导出r为相对介电常数，为角频率，m，n为模数。 利用付氏变换和镜像理论可将金属带上x方向的电流最终表示为式中k为介质中波数，J0是输入电流幅度。由于上两式右边存在极点，因而可从并矢格林函数中确定mn。一旦求得mn，在最初式中应用留数定理，则输入阻抗最终表示为在参考面x=0处驻波比由下式给出Z0为微带线特性阻抗，Rin，Xin分别为输入阻抗Zin的实部与虚部。五、实验目的：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：（1） 偶极子相控阵天线的仿

7、真与优化：偶极子天线尺寸如下图，在412GHz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，注意间隙之间赋离散端口和对称面的使用(xz和yz是磁对称，xy是电对称)；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。 （2）微带到波导转换的仿真与优化：在2630GHz频率范围内优化下图微带到波导的转换，使全频带反射最小，并绘出中心频点28GHz的电场、磁场与表面电流的分布；微带是Duroid5880基片，介

8、电常数2.2，基片厚0.254mm，金属层厚0.017mm，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。七、实验器材（设备、元器件）：台式计算机30台；CST Design Environment 2009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（1）单个偶极子天线的仿真及优化a打开CST2009，选择模版b. 创建天线阵子c. 创建间隙处圆柱，并减去间隙处圆柱d创