一文了解常用的微波传输线(二):矩形波导、集成波导、圆波导、矩圆转换器仿真
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摘要:
在上次推文一文了解常用的微波传输线(一)中 ,简单介绍了同轴线,带状线和微带线的CST快速建模和仿真设置。本次推文将就矩形波导和基片集成波导,圆波导和矩圆转换变换器进行简单的仿真。
本文使用的软件为CST2018和AnsysEM 18.2
矩形波导和基片集成波导
在平面口径天线简谈一文中,已对矩形波导的进行了简单的理论分析和仿真。
理论计算矩形波导参数的Matlab代码搬运如下:
%Matlab计算矩形波导参数 msgbox({strcat('TE',num2str(m),num2str(n),'模式的截止频率为:',num2str(fc/1e9),'GHz'),... strcat(num2str(fre/1e9),'GHz的波导相移常数为:',num2str(beta_g),'rad/m'),... |
对于金属波导而言,由于其难以与平面结构和有源器件集成,因此一种基于介质基板的波导结构被提了出来——基片集成波导。
·基片集成波导Substrate integrated waveguide(SIW)是一种新的微波传输线形式,其利用金属通孔在介质基片上实现波导的场传播模式。
对于SIW结构的详细理论可以参照学术期刊论文的相关资源,下图就节选自2005年的IEEE MTT上的一篇期刊论文Guided-wave and leakage characteristics of substrate integrated waveguide[1]。
该结构采用PCB实现两排金属化通孔,将电磁波限制在两排金属化通孔和上下金属边界形成的矩形腔内。论文给出了一个比较精准的等效的矩形波导宽度的公式:
对于基片集成波导的理论分析与详细设计,可参考今天推送的第3条推文(附HFSS仿真SIW的实例)。
基片集成波导的理论分析与详细设计
对于SIW结构的建模,个人觉得CST相较于HFSS更加好用一点。在巧用HFSS脚本录制功能一文中,文末尝试通过录制脚本的方式修改DuplicateAlongLine的Total Number修改为变量,但是在Design Properties中修改变量num的值,其平移复制的个数并不会产生变化。
这种建模没法达到SIW的金属化通孔间距固定的情况下,其通孔个数随着基板长度变化而自适应的需求,然而CST可以。
在CST的Translate中,平移复制的距离和个数都可以设置成变量。
于是就有了下面视频中,金属化通孔随着基板长度变化而自适应补上的丝滑操作。
参考资料
[1]Feng Xu and Ke Wu, "Guided-wave and leakage characteristics of substrate integrated waveguide," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 53, no. 1, pp. 66-73, Jan. 2005, doi: 10.1109/TMTT.2004.839303.
圆波导与矩圆转换变换器
下图是微波工程一书中的一个例题:
先按下图所示,建立起聚四氟乙烯填充的圆波导模型。
接着设置求解频率范围为10GHz~20GHz,波端口激励模式设置为3个,便于查看高次模式,在时域求解器里勾选Calculate port modes only进行激励端口模式的快速计算。 查看仿真结果可知,前两个高次模均为
模式,由于圆波导具有轴对称性,就产生了极化简并现象。
下图所示为
高次模式:
仿真结果的截止频率如下:
与理论公式计算值基本一致:
对于矩形波导和圆波导的转换,用CST的Loft操作可以轻松搞定,需要注意圆波导端口激励模式的极化简并问题。
CST矩圆转换建模
可以看出20GHz~30GHz,矩圆转换的端口S11均小于-20dB,下图为矩形波导转换为圆波导的电场截面图示:
电场contour图示
END
*本文的图片部分来自CST2018软件
作者:微波天线工程师
来源:一文了解常用的微波传输线(二):矩形波导、集成波导、圆波导、矩圆转换器仿真 - RFASK射频问问
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