CST Design Environment 2009仿真-实验报告-卢兴国

1、 电子科技大学物理电子学院学院 HYPERLINK 标准实验报告实验）课程名称CSTDesignEnvironment2009仿真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：卢兴国学号：2704202026指导教师：朱兆君实验地点：科研楼501实验时间：2010.10一、实验室名称：CST中国培训中心（华南区）二、实验项目名称：CSTDesignEnvironment2009仿真三、实验学时：32四、实验原理：计算机辅助设计（computerAidedDesign）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、乃至光波频段上，对各种无源电路和器件

2、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。 HYPERLINK 五、实验目的：通过对CST软件的学习，对一些典型的三维结构进行电磁仿真和优化设计，达到对已往的微波技术及微波工程等理论课程的巩固和提高，及培养学生独立承担微波器件开发的信心和能力。六、实验内容：（1）偶极子相控阵天线的仿真与优化：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fO=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

3、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。Lambda=29L=0.5*Lambda金屈杆半径d=0.025*Lambdar=0.00337*Lambda（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*l*8mm,标准50欧姆

4、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。b、按照给定参数做出偶极子天线如下图七、实验器材（设备、元器件）：台式计算机30台；CSTDesignEnvironment2009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一、单个偶极子天线的仿真设计a、打开CST2009软件，选择新建文件，使用如图模版c、选择偶极子天线相对的两个面的中点，定义

5、信号端口如下d、定义工作频率范围和边界条件e、定义远场监视器MonitorLabelingName:arfield(f=80.AutomaticlabelingTypeOE-Fieh:SpecificationFrequencyCHField/SurfacecurrentCPowerflowC;CurrentdensityBroadbam:OPowerlossderisity/CSAR)二Electricenergydensity12DPlane二Magneticenergydensity1ActivateFanield/RC：ApplyXYOZOrientation:Storeresultd

6、ataincacheOptimize.f.开始进行仿真运算TransientSolverParametersSolversettings此匚匚匚y:Par.Sweep.StimulationsettingsMode:AllPortsInhomogeneouspurlAllsCalculatemodesonlSpecials.Simplify1Model.JSuperimposepl日newaveSourcetype:g、得到S参数和8GHz时方向图如下S-ParameterMagnitudeindBh、使用后处理方式优化上面的S11使其在8GHz获得最小值。、用三种方式天线阵方向图i、由单个天

7、线计算天线阵：实现方式如下图SolveResultsMacrosWindowHelp團UpdateResultsF5IDPlotOptionsTableProperties.ResultTemplateProperties.PlotProperties.匚alculateFieldsatAxisMarkerAllTransparent于LJ：L-L-UFarfieldPlotGeneralArrayViewPlotModeAxesOriginPhaseCenterDecouplingPlaneAntennapatternSingleantemantennarNProperties.Farnel

8、dCalculationofAntennaArraysRectangulararra：OEditantennalistRectangulararrayDirection:Number:Spaceshift:Phaseshift:lambda/490.0YZUpdateAntennaList.AntennalistNo.XYZdi口litudePhase1-4.014-4.0140.0001.00-90.002-4.0144.0141,匸心0.0034.014-4.0141,匸心0.0044.0144.0140.0001.0090.00Modily.Add.Delete运算结果得到如下方向图j、

9、整体模型单独激励计算辐射场首先用镜像平移绘制天线阵如下图然后设置如下求解条件BoundaiyConditions确定CancelHelp然后进行如下叠加操作eResultsMacrosWindowHelp1團UzidateResultsF5IDPlot匚口tionsTableProperties.ResultTemplateProperties.Plot匚怕口erties.CalculateFieldsatAxisMarkerAllTransparent3DFieldsun2DPlane2DFieldsonSelectedShapesOnlyShowFieldsatCursorAnimateF

10、ieldsShift+ASelectResultPlotList.OverlayMultiplePlotstiS-ParameterCal匚ulationsTimeSignalCalculationsLossandQ匚自匚ulation.SAR.Calculation,.CombineResults.EvaluateFieldsiniii.i.得到如下图方向图LabelingName:farfield(f=8)(AutomaticlabelingTypeOE-Fieb:OH-Field/SurfacecurrentPowerflowCurrentdensityPowerlossdensity/

11、(SAR)ElectricenergydensityMagneticenergydensitySpecificationFrequencyFrequency:Fmin:Fmax:OBroadbam:Ei122DPlaneActivateOrientation:XPosition:MonitorsettingsType:FrequencyOffset:TimeshiftPhasereferenceftequency:MonitorselectionFarfieldonlFrequency:8MonitorcornbinationCombineOTimeOPhaseshifCloseEAutoma

12、ticlabelingLabel:ll190+2l10+3l1-g0+4l10List：11.19LI+21.1O+31.1-9LI+41.1OHelpSetAII.ClearPortmode代门口litudePhaseshift119021031-90斗10k、整体模型，同时激励所得方向图如下对结果进行分析解释：使用CST软件对单个偶极子天线进行仿真设计时，得到当lambda=32.1mm，工作频率谐振在f0=7.984GHz。用三种方法对偶极子天线阵进行仿真时，得到的方向图有很大区别，是因为由单个天线计算天线阵：未考虑天线之间的耦合，未考虑激励之间的影响。由整体模型单独串行激励计算辐射场：

13、计算仅涉及天线结构之间的相互影响。整体模型，同时激励；同时涉及结构和激励的相互影响。第二题：微带到波导转换的仿真与优化a、打开CST2009软件，选择新建文件，使用如图模版CiejfeaNewPiojectSelectatemplateforthenewprojectDescriptionNoneAntenna(Hnrn，Waveguide)Antenna(MobilePhone)Antenna(Planar)Antenna(Wire)AntennaArrayUnitCell(FD)匚onriEctor(匚oaxialConnector(Multipin)Coupler(PlanarjMicr

14、ostripjcpw)Coupler(Waveguide)EDAEMC-EMIProblemb、创建矩形波导如下图所示Units:rnrrijghzBackground:pecEiciundaries:electric10airf-BrickComponent:Material:Xmax:Ymin:Ymax:Zmin:Zmax:Name:bodaoXmin:Vacuum-7.112/23.556/27.112/2k3.556/2C、创建微带的介质基片并运用布尔运算把基片插入波导中d、创建四段微带并用布尔运算插入波导如下图:e、创建微带外面的空气层f、设置端口g、设置频率和边界条件及其场监视器F

15、vlonitorMonitorHOLabelingName:e-field(f=28)ISAutomaticlabelingLabelingName:h-field(f=28)(AutomaticlabelingTyf：e.aE-Fieli：一H-Field/SurfacecurrentPowerflovvCurrentdensity1Powerlossdensity/(SAR)SpecificationFrequencyFrequency:Fmin:OTirneTypeOE-Fieli：H-Field/SurfacecurrentOPowerflowCurrentdensityPowerlo

16、ssdensity/(SAR)OElectricenergydensitySpecificationFrequencyOTimeFrequency:28Fmin:26Fma:：:302DPlane2DPlaneFiln.x:._x_i、设置优化参数和变量DefineS-ParameterGoalTypeMag.(linear)Mag.(dB)FhasOptimizerParametersGoalsInfoSpeci引sOutputInputPort:Mode:Port:Mode:ParameterMinMax金1口HInitialCurrentBe：|5fw20.18620.345850.26

17、60.2660.2|5c121.3652.53551.951.951c|5cwl0.3150.58550.450.45匚1,4|5cLI0.3640.67650.520.52O.E|5cw00.5040.93650.720.720.7|5fL01.5542.88652.222.2222lxL0.631.175o.go.gO.=%ofinitialvalue3Usecurrentasinitialv：ConditionsOperator:Target:Frequency:Weight:1.0j、优化后得到的参数结果和S参数曲线为lT：dIT|HL1.1698768304032LO2.386515

18、8552689LI0.52215968664001121.9290886584676wO0.75959337114701wl0.44429535441409w2.29463022193126对结果进行分析解释：优化后的参数取值为L=1.17，l0=2.39，l1=0.52，l2=1.93，w0=0.76，w1=0.44，w2=0.30优化后的S参数如下图所示TypeMonitorMaximuin-3dFrequencyPhase中心频点28GHz的电场、磁场与表面电流的分布分别如下E-Field(peak)e-Field(F=28)50403即U/mat280degrees/42388中心频点

19、28GHz的电场分布中心频点28GHz的磁场分布ZTypeMonitorMaximum-3dFrequencyPhase66.8-38.1-SurfaceCurrent(peak)h-Field(F=28)1152A/mat4.23425/0,147315/1.44-51；中心频点28GHz的表面电流分布运用CST电磁仿真软件，实现了微带到波导的转换，通过优化得到了实现微带转换的最佳参数值，并绘出了中心频点28GHz的电场，磁场及表面电流分布。十、实验结论：本次实验使用CSTDesignEnvironment2009仿真软件，成功的仿真出工作频率谐振在f0=8GHz单个偶极子天线，并使用三种方法绘制出由单个天线在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，扩展成的2*2相控阵天线阵的三个不同的方向图。运用CSTDesignEnvironment2009仿真软件，实现了