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一文了解常用的微波傳輸線（二）：矩形波導(dǎo)、集成波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、矩圓轉(zhuǎn)換器仿真

2022-01-12 來源：微波射頻網(wǎng) 作者：94巨蟹座少年字號(hào)：大中小

摘要：

在上次推文一文了解常用的微波傳輸線（一）中，簡(jiǎn)單介紹了同軸線，帶狀線和微帶線的CST快速建模和仿真設(shè)置。本次推文將就矩形波導(dǎo)和基片集成波導(dǎo)，圓波導(dǎo)和矩圓轉(zhuǎn)換變換器進(jìn)行簡(jiǎn)單的仿真。

本文使用的軟件為CST2018和AnsysEM 18.2

矩形波導(dǎo)和基片集成波導(dǎo)

在平面口徑天線簡(jiǎn)談一文中，已對(duì)矩形波導(dǎo)的進(jìn)行了簡(jiǎn)單的理論分析和仿真。

理論計(jì)算矩形波導(dǎo)參數(shù)的Matlab代碼搬運(yùn)如下：

%Matlab計(jì)算矩形波導(dǎo)參數(shù)
prompt = {'波導(dǎo)填充介質(zhì)的介電常數(shù):','波導(dǎo)寬邊尺寸(mm):','波導(dǎo)窄邊尺寸(mm):',"需計(jì)算的工作頻率(GHz)："};
dlgtitle = 'Input';
dims = [1 35];
definput = {'1','23.53','11.77','10'};
answer = inputdlg(prompt,dlgtitle,dims,definput);
%矩形波導(dǎo)TE10模式截止頻率計(jì)算
e0=1/36/pi*1e-9;u0=4*pi*1e-7;
Er=str2double(answer{1});a=str2double(answer{2})*1e-3;
b=str2double(answer{3})*1e-3;c=3*1e8;fre=str2double(answer{4})*1e9;
m=1;n=0;
fc=c/2/sqrt(Er)*sqrt((m/a)^2+(n/b)^2);
beta_g=sqrt((2*pi*fre)^2*Er*e0*u0-(pi/a)^2);

msgbox({strcat('TE',num2str(m),num2str(n),'模式的截止頻率為：',num2str(fc/1e9),'GHz'),...
strcat(num2str(fre/1e9),'GHz的波導(dǎo)相移常數(shù)為：',num2str(beta_g),'rad/m'),...
strcat(num2str(fre/1e9),'GHz的波導(dǎo)波長(zhǎng)為：',num2str(2*pi/beta_g*1e3),'mm')});

對(duì)于金屬波導(dǎo)而言，由于其難以與平面結(jié)構(gòu)和有源器件集成，因此一種基于介質(zhì)基板的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被提了出來——基片集成波導(dǎo)。

·基片集成波導(dǎo)Substrate integrated waveguide（SIW）是一種新的微波傳輸線形式，其利用金屬通孔在介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的場(chǎng)傳播模式。

對(duì)于SIW結(jié)構(gòu)的詳細(xì)理論可以參照學(xué)術(shù)期刊論文的相關(guān)資源，下圖就節(jié)選自2005年的IEEE MTT上的一篇期刊論文Guided-wave and leakage characteristics of substrate integrated waveguide^[1]。

該結(jié)構(gòu)采用PCB實(shí)現(xiàn)兩排金屬化通孔，將電磁波限制在兩排金屬化通孔和上下金屬邊界形成的矩形腔內(nèi)。論文給出了一個(gè)比較精準(zhǔn)的等效的矩形波導(dǎo)寬度的公式：

對(duì)于基片集成波導(dǎo)的理論分析與詳細(xì)設(shè)計(jì)，可參考今天推送的第3條推文（附HFSS仿真SIW的實(shí)例）。

基片集成波導(dǎo)的理論分析與詳細(xì)設(shè)計(jì)

對(duì)于SIW結(jié)構(gòu)的建模，個(gè)人覺得CST相較于HFSS更加好用一點(diǎn)。在巧用HFSS腳本錄制功能一文中，文末嘗試通過錄制腳本的方式修改DuplicateAlongLine的Total Number修改為變量，但是在Design Properties中修改變量num的值，其平移復(fù)制的個(gè)數(shù)并不會(huì)產(chǎn)生變化。

這種建模沒法達(dá)到SIW的金屬化通孔間距固定的情況下，其通孔個(gè)數(shù)隨著基板長(zhǎng)度變化而自適應(yīng)的需求，然而CST可以。

在CST的Translate中，平移復(fù)制的距離和個(gè)數(shù)都可以設(shè)置成變量。

于是就有了下面視頻中，金屬化通孔隨著基板長(zhǎng)度變化而自適應(yīng)補(bǔ)上的絲滑操作。

參考資料

[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.

圓波導(dǎo)與矩圓轉(zhuǎn)換變換器

下圖是微波工程一書中的一個(gè)例題：

先按下圖所示，建立起聚四氟乙烯填充的圓波導(dǎo)模型。

接著設(shè)置求解頻率范圍為10GHz~20GHz，波端口激勵(lì)模式設(shè)置為3個(gè)，便于查看高次模式，在時(shí)域求解器里勾選Calculate port modes only進(jìn)行激勵(lì)端口模式的快速計(jì)算。
查看仿真結(jié)果可知，前兩個(gè)高次模均為模式，由于圓波導(dǎo)具有軸對(duì)稱性，就產(chǎn)生了極化簡(jiǎn)并現(xiàn)象。