Ka波段波导-微带转换电路
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26.5GHz~40GHz 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 ，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 optimization of HFSS. It meets the requirements: the input/output standing wave ratio is 1.2 within the Ka frequency range 26.5GHz~40GHz and the insertion loss is 1.0dB.
Key word ：Ka-band ，Micro-strip, Waveguide, HFSS , Transform circuit
1. 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10TE 模，它的各场表达式为：
()y 10=sin j t z a E j H x e a ωβωμππ-??- ??? ()y 10=s i n j t z a H j H x e a ωββππ-?? ???
(
)z 10=cos j t z H H x e a
ωβπ-?? ??? 0x y y E E H === （1） 由22c k ωμε=决定的频率称为截止频率，用c f 表示；相应的波长称为截至波长，用c λ表示。对于矩形波导中的10TE 模，求得其截至波长为：
c λ= （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
g λ表示为：
g λ= （3）
波导中的波型阻抗简称为波阻抗，定义为该波型的横向电场与横向磁场之
比，即：
10y TE x E Z H =- （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x E 和x H 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：
()00sin I I k d y =?-????
（5） 其中d 为探针插入深度()0y d ≤≤，可以由此求出微带底部的输入电阻：
()220021sin 2
s m e in in in P j w w Z R jX I k d ω+-=+= （6）
式中s P 为辐射到波导的功率，m e w w -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s P ，可得探针的辐射电阻： 220100102sin tan 2
in Z d R l k ab ββ= （7） 同理，可得TE10模对总的输入电抗： 220
100100sin tan 2
in Z d X l k ab k ββ= （8） 从式（3），（4）可看出：in R 、in X 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in R 使其等于微带的特性阻抗，并调整in X 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λ / 4，因为终端短路后，波导内形成驻波，波节间距离为λ / 2，取λ / 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、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50Ω 标准微带线的阻抗匹配。
3 仿真分析和实验研究
3.1仿真分析
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7.112a mm =，3.556b mm =。对Ka 波段(26.540)GHz GHz -，中心频率032.56f GHz =，其波长为0/9.21c f mm λ==，故四分之一波长为2.3mm 。将波导一端短路，设置探针距离波导短路面的初值为 2.3L mm =。
微带线介质基片采用Duroid 5880，厚度为0.254mm h =，介电常数 2.2r ε=，微带线导体带设置为厚度为00.017h mm =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20.785mm ω=。
3.2实验结果
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
HFSS仿真后插损和VSWR均达到了设计要求.但波导的短路端拐角处还可以进行圆角处理.
(完整word版)微带线带通滤波器的ADS设计
应用ADS设计微带线带通滤波器 1、微带带通微带线的基本知识 微波带通滤波器是应用广泛、结构类型繁多的微波滤波器，但适合微带结构的带通滤波器结构就不是那么多了，这是由于微带线本身的局限性，因为微带结构是个平面电路，中心导带必须制作在一个平面基片上，这样所有的具有串联短截线的滤波器都不能用微带结构来实现；其次在微带结构中短路端不易实现和精确控制，因而所有具有短路短截线和谐振器的滤波器也不太适合于微带结构。 微带线带通滤波器的电路结构的主要形式有5种： 1、电容间隙耦合滤波器 带宽较窄，在微波低端上显得太长，不够紧凑，在2GHz以上有辐射损耗。 2、平行耦合微带线带通滤波器 窄带滤波器，有5％到25％的相对带宽，能够精确设计，常为人们所乐用。但其在微波低端显得过长，结构不够紧凑；在频带较宽时耦合间隙较小，实现比较困难。 3、发夹线带通滤波器 把耦合微带线谐振器折迭成发夹形式而成。这种滤波器由于容易激起表面波，性能不够理想，故常把它与耦合谐振器混合来用，以防止表面波的直接耦合。这种滤波器的精确设计较难。
4、1/4波长短路短截线滤波器 5、半波长开路短截线滤波器 下面主要介绍平行耦合微带线带通滤波器的设计，这里只对其整个设计过程和方法进行简单的介绍。 2、平行耦合线微带带通滤波器 平行耦合线微带带通滤波器是由几节半波长谐振器组合而成的，它不要求对地连接，结构简单，易于实现，是一种应用广泛的滤波器。整个电路可以印制在很薄的介质基片上(可以簿到1mm以下)，故其横截面尺寸比波导、同轴线结构的小得多；其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟，但采用高介电常数的介质基片，使线上的波长比自由空间小了几倍，同样可以减小；此外，整个微带电路元件共用接地板，只需由导体带条构成电路图形，结构大为紧凑，从而大大减小了体积和重量。 关于平行耦合线微带带通滤波器的设计方法，已有不少资料予以介绍。但是，在设计过程中发现，到目前为止所查阅到的各种文献，还没有一种能够做到准确设计。在经典的工程设计中，为避免繁杂的运算，一般只采用简化公式并查阅图表，这就造成较大的误差。而使用电子计算机进行辅助设计时，则可以力求数学模型精确，而不追求过分的简化。基于实际设计的需要，我对于平行耦合线微带
波导-微带转换电路设计
波导-微带转换电路设计 姓名：学号： 一、技术指标 1)工作频率：26.5~40GHz 2)输入/输出驻波比：<1.2 3)插入损耗：<1.0dB 二、理论分析 随着微波毫米波技术的飞速发展，微波集成电路在各个方面得到了广泛应用。在毫米波频段，主要的传输线有波导和平面传输线两种。随着平面传输媒介的研究发展，混合集成电路、单片集成电路应用的日趋广泛，微带电路已在越来越多的场合取代金属空波导，成为微波、毫米波电路的重要传输线。然而，目前许多毫米波测试系统和器件仍采用金属空波导。因此，如何实现低损耗的波导与微带线的转换就成了微波毫米波技术研究的重要内容。 目前常用的微带－波导探针过渡的方式有两种，都是将微带探针从波导宽边的中心插入，一种是介质面垂直与波导传输方向，称为H面探针，如图1所示，另一种介质面平行于波导传输方向，称为E面探针，如图2所示。 图1 H面探针图2 E面探针 微带探针转换是目前应用最为广泛的波导一微带过渡形式并且它有明显的优点。它的插人损耗低,回波损耗小,具有较大频宽,且其结构紧凑,加工方便,装卸容易。本文采用H面微带探针转换的结构。探针从波导宽面插入，并且探针平面与波导窄面垂直。微带过渡段我们采用渐变结构。通过优化探针插入深度d，微带变换器的长度1 s s，波导的微带插入处到波L，探针和微带变换器各自宽度,1 导短路处的距离L，得到满足指标的结果。
一、 设计过程： （1） 利用ADS 软件里的微带计算工具得出中心频率为33.5GHz 处的微带的宽 度0.77Sx mm =，如图3所示。 图3 50欧姆微带线宽 （2） 在HFSS 中建立仿真模型如图4所示，包括微带金属条，微带基板，以及 包围空气腔三部分。利用对称性以YZ 面为对称面切掉一半可以减少计算时间。 图4 仿真模型 （3） 设置三部分的材料属性，其中微带金属条为PEC ，微带基板为 Duriod5880（厚度0.254mm =，相对介电常数 2.2=）。包围空气
同轴-波导转换器
同轴波导转换器 一． 激励准则 将坡印亭定理应用于激励耦合问题，可推出解决这类问题的激励准则。 假设E 和H 是波导中某一模式的电场和磁场，*e J 和m J 是外加的等效电流源 和磁流源，及探针。如果()0e m V E J H J dv **+=? 那么该种模式的场是不能被激励 的，否则是可以被激励的。 从这条准则可知，要使电磁波同轴与波导之间有效转换，应使探针位于E 最强，且方向与其平行的位置；或者使用环状探针，放在H 最强，且环平面与其 垂直的位置。 二． 半封闭矩形波导的TE 10模式 在给定的边界条件下求解核姆赫兹方程，可得半封闭波导的TE 10模式的解析解： 0,0sin sin sin cos cos sin x z y y z z x z z z z E E H x E A k z a iAk x H k z a iA x H k z a a k ππωμ ππωμ===== =-= （z 的零点取在封闭端） 以L 波段WR-650波导为例，用HFSS 软件分析其内部场分布以及波壁上的电 流分布情况。WR-650的参数如下：内部尺寸165.1mm ×82.55mm ，外部尺寸169.16mm ×86.66mm ，工作频带1.12GHz-1.70GHz ，截止频率0.908GHz 。
图1.电场分布图2.磁场分布 分析结果与理论计算一致。且动画显示，半封闭波导内的波模是驻波。 图3.波导壁上的电流分布 比较图1和图3可以发现，波导壁上的电流分布与波导内部与其平行的平面上的电场分布相同。 三．同轴探针的最佳安装位置 根据以上的分析可知，探针应安置在距封闭端1/4（或3/4,5/4,…）波长的位置，且垂直于并位于宽边中央。
波导到微带转换电路 设计报告
波导到微带转换电路 学生姓名：学号： 单位：时间:2010年5月6日 一、技术指标： 请设计一只Ka波段波导到微带转换电路。其技术指标要求如下： 工作频率：26.5~40GHz 输入/输出驻波比：<1.2dB 插入损耗：<1.0dB 二、理论分析 目前常用的微带－波导探针过渡的方式有两种，都是将微带探针从波导宽边的中心插入，一种是介质面垂直与波导传输方向，称为H面探针，如图1所示，另一种介质面平行于波导传输方向，称为E面探针，如图2所示。本课题采用的是E面探针过渡，下面详细介绍本课题中的微带－波导过渡设计方法。 图1 H面探针图2 E面探针 微带—波导过渡的构成形式如图3所示，探针从波导宽边的中心插入，任一个沿探针方向具有非零电场的波导模将在探针上激励起电流。探针附近被激励起的高次模存储无功功率的局部场，使接头具有电抗性质。由于探针过渡具有容性电抗，一段具有感性电抗的高阻线被串联在探针过渡器后面，以消除容性电抗，然后利用四分之一阻抗变换器实现与混频电路内微带传输线的阻抗匹配。 对微带－波导过渡性能有较大影响的电路参数共5个，由表1列出。探针插入处波导开窗的大小对性能也有一定影响，在设计时可先将其确定。一般的原则是开窗越小越小越好，以形成截止波导。
探针距波导终端短路面的长度D我们取四分之波导波长,因为终端短路后，波导内形成驻波，波节间距离为二分之波导波长，取四分之波导波长的短路长度，可以保证探针在波导内处于最大电压，即电场最强的波腹位置，以达到尽量高的耦合效率。 探针长度探针宽度高阻线长度高阻线宽度波导短路面 距离 L1 w1 L2 w1 D 表1影响微带-波导过渡性能的参数 三、设计过程： 确定中心频率为大气窗口35GHz，频段为26.5GHz到40GHz。确定矩形波导尺寸、基板的材料和尺寸以及微带金属条带的初始尺寸并建立模型。此处采用WR-28标准矩形波导，尺寸为7.112mm*3.556mm，基板材料选用Rogers5880型基片，厚度为0.254mm，相对介电常数为2.2，微带金属条带厚度为0.035mm，由ADS中LineCalc 计算得中心频率35GHz处50欧姆微带线宽度为0.754mm。 通过设计矩形波导宽边开口的宽度和长度，使其达到将波导中的能量传播到微带线的要求，并抑制带内谐振，主要考虑到要对高次模进行抑制和衰减，开口不能过大，应该保证开口能够对高次模有20dB的衰减，通过仿真优化，观察gamma实部可确定其对高次模的衰减大小。最后确定开口宽2.5mm，高1mm，可以满足衰减而且具有良好的输入输出驻波比。 由于参考论文得到相应的初始值,用HFSS建立如图5所示的探针过渡仿真模型,然后对重要参数进行扫参优化。最终的参数结果:探针宽度w1为0.5 mm，探针长度L1为1.8 mm，高阻线宽度w2为0.3 mm，高阻线长度L2为0.1 mm，波导短路面至端口的距离D为8.6 mm。
同轴波导转换器的设计要点
学校代码：10385分类号：学号：密级： 学士学位论文 同轴——波导转换器的设计 Design of coaxial to waveguide transducer 作者姓名： 指导教师： 学科： 研究方向：电磁场与微波技术 所在学院：信息科学与工程学院 论文提交日期：二零一四年五月二十日
华侨大学学士学位论文 学位论文独创性声明 本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成果。论文写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容，如参考他人或集体的科研成果，均在论文中以明确的方式说明。本人依法享有和承担由此论文所产生的权利和责任。 论文作者签名：签名日期： 学位论文版权使用授权声明 本人同意授权华侨大学有权保留并向国家机关或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅。本人授权华侨大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 论文作者签名：指导教师签名： 签名日期：签名日期：
摘要 同轴—波导转换器是微波系统中非常重要的元器件。基于脊波导和波导阶梯对导播系统中电磁波传播性能的影响，本文探讨了这两种结构应用在8-18GHz的宽带同轴—波导转换器设计中的情况。通过同轴—脊波导—矩形波导转换，并在脊波导上加载阶梯，很好地改善了阻抗匹配效果，提高了同轴—波导转换器的传输性能。阻抗变换是为了消除带内不良反射，以获得良好匹配的一种微波器件，广泛用于微波电路和天线馈电系统中。其结构上大致分为阶梯式和渐变式。前者能够比后者获得更好的带内波纹系数和更短的长度。对阶梯阻抗变换器的设计，主要分为传统设计方法和优化设计方法。本文的仿真结果证明脊波导和波导阶梯在设计同轴—波导转换器中的有效性，在8-18GHz的倍频程带宽内驻波小于1.25，产生的高次模非常小。 关键词：同轴—波导转换脊波导波导阶梯阻抗变换 I
GHZ微带渐变阻抗变换器设计报告
微带渐变阻抗变换器设计报告 一、设计任务 名称：设计一个工作频率为，输入阻抗为50Ω，输出阻抗为30Ω的阻抗变换器。 主要技术指标：S11低于-20dB,S21接近,re(Z0)接近50Ω,VWAR接近1。 二、设计过程 1.原理： 1．1 阻抗匹配的概念 阻抗匹配元件在微波系统中用的很多，匹配的实质是设法在终端负载附近产生一新的反射波，使它恰好和负载引起的反射波等幅反相，彼此抵消，从而达到匹配传输的目的。一旦匹配完善，传输线即处于行波工作状态。 在微波电路中，常用的匹配方法有： （1）电抗补偿法：在传输线中的某些位置上加入不消耗的匹配元件，如纯电抗的膜片、销钉、螺钉调配器、短路调配器等，使这些电抗负载产生的反射与负载产生的反射相互抵消，从而实现匹配传输，这些电抗负载可以是容性，也可以是感性，其主要有点是匹配装置不耗能，传输效率高。 （2）阻抗变换法：采用λ/4阻抗变换器或渐变阻抗变换器使不匹配的负载或两段特性阻抗不同的传输线实现匹配连接。 （3）发射吸收法：利用铁氧体元件的单体传输特性（如隔离器等）
将不匹配负载产生的反射波吸收掉。 传输线的核心问题之一是功率传输。对一个由信号源、传输线和负载构成的系统，希望信号源在输出最大功率的同时负载能全部吸收，以实现高效稳定的传输。这就要求信号源内阻与传输线阻抗实现共轭匹配，同时要求负载与传输线实现无反射匹配。 .阻抗匹配的方法 阻抗匹配的方法是在负载与传输线之间接入匹配器，使其输入阻抗作为等效负载与传输线的特性阻抗相等。 图3-1 阻抗匹配 匹配器是一个两端口的微波元件，要求可调以适应不同负载，其本身不能有功率损耗，应由电抗元件构成。匹配阻抗的原理是产生一种新的反射波来抵消实负载的反射波(二者等幅反相)，即“补偿原理”。常用的匹配器有有λ/4阻抗变换换器和支节匹配器。本论文主要采用λ/4阻抗变换器。 . λ/4阻抗变换器 λ/ 4阻抗变换器是特征阻抗通常与主传输线不同、长度为λ/ 4的传输线段，它可以用于负载阻抗或信号源内阻与传输线的匹配，以保证最大功率的传输；此外，在微带电路中，将两段不同特性阻抗的微带线连接在一起是为了避免线间反射，也应在两者之间加四分之一波长变阻器。
常用界面尺寸WR28 BJ320波导同轴转换
在广播电视发射系统和微波通讯领域中，同轴矩形波导转换是一个不可缺少的元件，在很多微波系统中，例如：天线、发射机、接收机和载波终端设备等，普遍用到了同轴波导转换。在微波输入、输出电路中，较强的反射波将可能对发射机或其它级联器件的正常工作造成严重干扰，导致微波系统性能不稳定，因此对转换的基本要求是：（1）低驻波、低插入损耗；（2）有足够的频带宽度；（3）便于设计加工。 波导转换的作用： 在射频微波领域的信号传输中大部分是需要传输线知来进行信号传导，其中同轴线和道波导管广泛用来传输微波射频能量。内这两种传输线在大小尺寸和材质以及传输特性上有巨大的差异。为将两种传输线互连就需要同轴波导转换器。 波导同轴转换的功能： 在射频微波领域的信号传输，我们出了无线信号的传输不需要传输线以外，大部分场景还是需要传输线来进行信号传导，其中同轴线和波导管广泛用来传输微波射频能量。市面上应用最为广泛的波导管是矩形波导管，通信最常用的同轴线是50Ω的同轴电缆组件，这两种传输线在大小尺寸和材质以及传输特性上有巨大的差异。但是由于其应用的广泛性，工程师经常会遇到需要将两种传输线互连的场合，这时我们就需要一个同轴波导转换器。同轴波导转换器在各种雷达系统、精密制导系统以及测试设备中都扮演着不可或缺的角色。同轴线和波导各自传输时带宽比较宽，相连后带宽取决于转换器，也就是取决于同轴波导特性阻抗的匹配。 介绍一种常用的界面尺寸的波导同轴转换：WR28A（BJ320）作为介绍例子 1. WR28A波导同轴转换器，此转化器常应用于微波测量、微波设备、微波系统和微波工程中。 2.频率覆盖范围：26.5～40.0GHz；波导规格为WR28（BJ320），连接器2.92mm/2.4mm标准接口； 3.驻波比:＜1.20 3.具有频带宽、规格品种齐全、电压驻波比和插入损耗低 4.可以应用于卫星通信、雷达、无线通讯、工业微波、微波测试测量系统、医用微波系统等。
矩形波导模式和场结构分析毕业设计论文
毕业设计（论文）题目：矩形波导模式和场结构分析
目录 第一章绪论 (1) 1.1 选题背景及意义 (3) 1.2 国内外研究概况及发展趋势 (3) 1.3 本课题研究目标及主要内容 (4) 1.4 本章小结 (6) 第二章矩形波导的基本原理 (7) 2.1 导波的一般分析 (7) 2.1.1规则矩形波导内的电磁波 (7) 2.1.2波导传输的一般特性 (8) 2.2 矩形波导的分析 (8) 2.2.1矩形波导电磁场解 (8) 2.2.2矩形波导中的波型及截止波长 (11) 2.3 本章小结 (12) 第三章矩形波导的设计 (13) 3.1 创建矩形波导模型 (13) 3.2 求解设置 (20) 3.3 设计检查和运行仿真 (22) 3.3.1设计检查 (22) 3.3.2运行仿真分析 (23) 3.4 本章小结 (24) 第四章HFSS仿真结果及其分析 (25) 4.1 HFSS软件仿真原理 .............................. 错误！未定义书签。 4.2 HFSS仿真实现 (26) 4.3 仿真结果分析 (32) 4.4 本章小结....................................... 错误！未定义书签。第五章小结与展望 .. (33) 5.1 工作总结 (33) 5.2 工作展望 (33) 参考文献 (33) 致谢 (35) 附录 A 常用贝塞尔函数公式错误！未定义书签。
矩形波导模式和场结构分析 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截面形状为矩形的长方形的金属管。若将同轴线的内导线抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。矩波导加工方便，具有损耗小和双极化特性，常用于要求双极化模的天线的馈线中，也广泛用作各种谐振腔、波长计，是一种较常用的规则金属波导。 矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。其中主要有三种常用模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。在不同工作模式下，截止波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种工作模式的用途也不相同。导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电力线的疏密来表示场得强与弱。 本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常用模式，并利用MATLAB 和三维高频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。 1.2国内外研究概况及发展趋势 由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究方法，采取重叠的研究方法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。时域有限差分法就是实现直接对电磁工程问题进行计算机模拟的基本方法。在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进行了大量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作用下的理论。另外，对于物体的电特性，理论上具有几乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带内的频率成分在区主要作用。 英国物理学家汤姆逊(电子的发现者) 在1893 年发表了一本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩金属壁管子(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预言波长可与矩柱直径相比拟, 这就是微波。他预言的矩波导传输, 直到1936 年才实现。汤姆逊成为历史上第一位预言波导的科学家。这证明科学预言可以大大早于技术的发展, 同时也表明了应用数学的威力。英国物理学家瑞利在1897 年发表了论文, 讨论矩形截面和矩形截面“空柱”中的电磁振动, 它们对应后来的矩形波导和矩波导, 并引进了截止波长的概念。瑞利得到了矩形波导中主模的场方程组,这是雷达中最常用的模式,
Ka波段波导-微带转换电路
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26.5GHz~40GHz 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 ，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 optimization of HFSS. It meets the requirements: the input/output standing wave ratio is 1.2 within the Ka frequency range 26.5GHz~40GHz and the insertion loss is 1.0dB. Key word ：Ka-band ，Micro-strip, Waveguide, HFSS , Transform circuit 1. 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10TE 模，它的各场表达式为： ()y 10=sin j t z a E j H x e a ωβωμππ-??- ??? ()y 10=s i n j t z a H j H x e a ωββππ-?? ??? ( )z 10=cos j t z H H x e a ωβπ-?? ??? 0x y y E E H === （1） 由22c k ωμε=决定的频率称为截止频率，用c f 表示；相应的波长称为截至波长，用c λ表示。对于矩形波导中的10TE 模，求得其截至波长为：
实验二矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析解读
实验二、矩形波导TE 10的仿真设计与电磁场分析 一、实验目的： 1、 熟悉HFSS 软件的使用； 2、 掌握导波场分析和求解方法，矩形波导TE 10基本设计方法； 3、 利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。 二、预习要求 1、 导波原理。 2、 矩形波导TE 10模式基本结构，及其基本电磁场分析和理论。 3、 HFSS 软件基本使用方法。 三、实验原理与参考电路 导波原理 3.1.1. 规则金属管内电磁波 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图1 所示坐标系, 设z 轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。为了简化起见, 我们作如下假设： ① 波导管内填充的介质是均匀、 线性、 各向同性的； ② 波导管内无自由电荷和传导电流的存在； ③ 波导管内的场是时谐场。 图1 矩形波导结构 本节采用直角坐标系来分析,并假设波导是无限长的,且波是沿着z 方向无衰减地传输,由电磁场理论, 对无源自由空间电场E 和磁场H 满足以下矢量亥姆霍茨方程: 式中β为波导轴向的波数,E 0(x,y)和H 0(x,y)分别为电场和磁场的复振幅,它仅是坐标x 和y 的函数。 以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程 ,并在直角坐标内展开,即有 22222 2222222222220T c E E E E k E k E x y z E E E k E x y E k E β????+=+++?????=+-+??=?+=式2 k c 表示电磁波在与传播方向相垂直的平面上的波数,如果导波沿z 方向传播,则 k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。 00(,)(,)j z j z E E x y e H H x y e ββ--?=??=?? 式1220E k E ?+=22222222T c E E E x y k k β????=+?????=-?其中式3 222c x y k k k =+
微带-波导转换教材
波导-微带转换电路 刘云生 201222040512 设计目的： 设计一只Ka波段波导到微带转换电路。其技术指标要求如下： 工作频率：26.5~40GHz 输入/输出驻波比：<1.2 插入损耗：<1.0dB 一、设计思路 微带探针转换是目前应用最为广泛的波导-微带过渡形式并且它有明显的优点。它的插人损耗低,回波损耗小,具有较大频宽,且其结构紧凑,加工方便,装卸容易。 图1和图2中所示为常用微带探针转换结构图，我们采用H面微带探针转换的结构。探针从波导宽面插入，并且探针平面与波导窄面垂直。微带过渡段我们采用渐变结构。通过优化探针插入深度d，微带变换器的长度1L，探针和微带变换器各自宽度,1 s s，波导的微带插入处到波导短路处的距离L，得到满足指标的结果。
图1 H面微带探针转换结构图 图2 E面微带探针转换结构图 二、设计过程： （1）利用ADS软件里的微带计算工具得出中心频率为33.5GHz处的微带的宽度0.77 ，如图3所示。 Sx mm 图3 50欧姆微带线宽 （2）在HFSS中建立仿真模型如图4所示，包括微带金属条，微带
基板，以及包围空气腔三部分。利用对称性以YZ面为对称面切掉一半可以减少计算时间。 图4 仿真模型 （3）设置三部分的材料属性，其中微带金属条为PEC，微带基板为Duriod5880（厚度0.254mm =）。包围空气 =，相对介电常数 2.2 腔设为真空（默认）。 （4）设置波端口1,2。都为1个模式，如图5。 图5 波端口1 波端口2 （5）设置边界条件如图6。其中微带被包围空气腔的上面设置辐射边界，对称YZ面设置为Prefect H面。
8_18GHz同轴_波导转换器的分析与设计
第24卷增刊微波学报 V ol.24 Supplement 2008年10月 JOURNAL OF MICROW A VES Oct. 2008 8-18GHz同轴-波导转换器的分析与设计 魏振华田立松冯旭东尹家贤胡粲彬 （国防科学技术大学电子科学与工程学院一系，长沙410073） 摘要：同轴—波导转换器是微波系统中非常重要的元器件。基于脊波导和波导阶梯对导播系统中电磁波传播性能的影响，本文探讨了这两种结构应用在8-18GHz的宽带同轴—波导转换器设计中的情况。通过同轴—脊波导—矩形波导转换，并在脊波导上加载阶梯，很好地改善了阻抗匹配效果，提高了同轴—波导转换器的传输性能。仿真结果证明脊波导和波导阶梯在设计同轴—波导转换器中的有效性，在8-18GHz的倍频程带宽内驻波小于1.22，产生的高次模非常小。 关键词：同轴—波导转换，脊波导，波导阶梯阻抗变换 Analysis and Design on 8-18GHz Coaxial-Waveguide Transition WEI Zhen-hua, TIAN Li-song, FENG Xu-dong, YIN Jia-xian,HU Can-bin ( College of Electronic Science and Engineering, NUDT,Changsha 410073, China ) Abstract：Coaxial-waveguide transition plays an important role in microwave system.Based on the influence of ridge waveguide and waveguide ladder exerted on transmission performance of electromagnetic wave in guided wave system, this paper discussed the situations of these two structures applied in the 8-18 GHz broadband coaxial-waveguide converter designation. Through the conversion of coaxial - ridge waveguide - rectangular waveguide, and ladder loading of ridge waveguide, the effectiveness of impedance matching is well-improved,and the transmission performance of coaxial-waveguide converter is highly-advanced. Simulation results proved the effectiveness of ridge waveguide and waveguide ladder in designing coaxial- waveguide converters.The VSWR of coaxial-waveguide transition designed in this paper is less than 1.22 in the 8-18 GHz octave bandwidth, and the high modulus produced is very small. Key words：Coaxial-waveguide transition, Ridge waveguide, Waveguide ladder impedance transformation 引言 同轴波导转换器在微波系统中应用非常广泛，是雷达设备、精确制导和微波测试电路中的重要无源连接器件。其设计的基本要求是：低驻波、低插入损耗。 同轴波导转换器的相对带宽比较小，驻波小于1.1时最多可以达到10%的带宽[1]；在同轴腔体内设置周期性光带隙（PBG）的内导体介质支撑垫、矩形波导内设置阶梯阻抗变换，这种设计方法在25-40GHz的带宽内驻波小于1.25，但相对带宽只有46%[2]；利用波导阶梯变换，在714-2500MHz的带宽内驻波小于1.74，但是驻波小于1.22的带宽范围只有其中的850-1150 MHz[3]。但是以上两种设计在超过倍频程的带宽时产生的高次模会比较大，影响传输性能。 本文所设计的8-18GHz的超宽带同轴波导转换器，工作频带超过倍频程，相对带宽达到72%，设计要求频带内驻波小于 1.22（即回波反射小于-20dB），而且要求频带内高次模非常小。同轴电缆采用常用的外半径为2mm，内半径为0.6mm，介电常数为2.08的标准50Ω同轴电缆。 1 理论分析 矩形波导中插入了探针，并在宽壁上开孔，这在波导同轴转换处引入了电抗，造成波的反射，使 *收稿日期：2008-04-06
2.4GHZ微带渐变阻抗变换器设计报告
2.4GHZ微带渐变阻抗变换器设计报告
2.4GHZ微带渐变阻抗变换器设计报告 一、设计任务 1.1名称：设计一个工作频率为 2.4GHZ，输入阻抗为50Ω，输出阻抗为30Ω的阻抗变换器。 1.2主要技术指标：S11<-20dB,S21<-0.7dB,re(Z0)=50Ω,VWAR尽量接近于1。 二、设计过程 2.1原理： 2.1.1 阻抗匹配的概念 阻抗匹配元件在微波系统中用的很多，匹配的实质是设法在终端负载附近产生一新的反射波，使它恰好和负载引起的反射波等幅反相，彼此抵消，从而达到匹配传输的目的。一旦匹配完善，传输线即处于行波工作状态。 在微波电路中，常用的匹配方法有： （1）电抗补偿法：在传输线中的某些位置上加入不消耗的匹配元件，如纯电抗的膜片、销钉、螺钉调配器、短路调配器等，使这些电抗负载产生的反射与负载产生的反射相互抵消，从而实现匹配传输，这些电抗负载可以是容性，也可以是感性，其主要有点是匹配装置不耗能，传输效率高。 （2）阻抗变换法：采用λ/4阻抗变换器或渐变阻抗变换器使不匹配的负载或两段特性阻抗不同的传输线实现匹配连接。 （3）发射吸收法：利用铁氧体元件的单体传输特性（如隔离器等）
将不匹配负载产生的反射波吸收掉。 传输线的核心问题之一是功率传输。对一个由信号源、传输线和负载构成的系统，希望信号源在输出最大功率的同时负载能全部吸收，以实现高效稳定的传输。这就要求信号源内阻与传输线阻抗实现共轭匹配，同时要求负载与传输线实现无反射匹配。 2.1.2 阻抗匹配的方法 阻抗匹配的方法是在负载与传输线之间接入匹配器，使其输入阻抗作为等效负载与传输线的特性阻抗相等。 图3-1 阻抗匹配 匹配器是一个两端口的微波元件，要求可调以适应不同负载，其本身不能有功率损耗，应由电抗元件构成。匹配阻抗的原理是产生一种新的反射波来抵消实负载的反射波(二者等幅反相)，即“补偿原理”。常用的匹配器有有λ/4阻抗变换换器和支节匹配器。本论文主要采用λ/4阻抗变换器。 2.1.3 λ/4阻抗变换器 λ/ 4阻抗变换器是特征阻抗通常与主传输线不同、长度为λ/ 4的传输线段，它可以用于负载阻抗或信号源内阻与传输线的匹配，以保
同轴波导转换
L波段同轴线—矩形波导转接头的宽带设计与实现 刘建生居继龙张良 (中国传媒大学京隆广播技术研究所，北京 100024) 【摘要】文章介绍了L波段同轴线—矩形波导转接头的一种理论模型，并对转接头的输入阻抗和带宽进行了研究。经过研究发现，转接头的带宽特性可以通过改变探针形状和在矩形波导宽壁上添加若干调谐螺钉而得到充分改善。最后，利用基于有限元方法的三维电磁仿真软件COMSOL Multiphysics 3.4，对这种模型进行了全波分析和优化，最佳传输特性能够实现在全波导带宽内（1.13~1.73GHz）回波损耗-28dB以下，从而验证了这种结构的可行性。 【关键词】L波段；宽带；转接头 Design and Realization of Broad Band Rectangular Waveguide-Coaxial Adapter at L-band LIU Jian-sheng, JU Ji-long,ZHANG Liang (Beijing-Lund Broadcasting Tech Lab, Communication University of China, Beijing 100024) Abstract:The paper describes a theoretical model of coaxial-rectangular waveguide adapter at L-band. Input impedance and band width for the adapter is researched. After a careful investigation, we found that the bandwidth of the adapter could be fully improved by changing the probe shape and adding some tuning screws at the broad wall of the rectangular waveguide. In the end, the full-wave analysis and optimizing of a L-band coaxial-rectangular waveguide adapter are presented, using three-dimensional electromagnetic simulation software COMSOL Multiphysics 3.4 which is based on Finite Element Method. The optimal results show that the return loss from the coax-to- rectangular waveguide transition is better than -28 dB at the total bandwidth (1.13~1.73GHz) of corresponding rectangular waveguide. The result shows the structure is feasible. Key words: L-band; Broad band; Adapter 1.引言 在广播电视发射系统和微波通讯领域中，同轴—矩形波导转换接头是一个不可缺少的元件。在好多微波系统里，例如天线、发射机、接收机和载波终端设备等，普遍用到了同轴波导转换接头。在微波输入、输出电路中，较强的反射波将可能对发射机或其它级联器件的正常工作造成严重干扰,导致微波系统性能不稳定，因此对转换的基本要求是：(1)低驻波、低的插入损耗；(2)有足够的频带宽度；(3)便于设计加工。 到目前为止，宽带同轴波导转换的方法主要有：利用阶梯波导转换、探针套介质转换等。阶梯波导转换是一种有良好过渡特性的结构，但需要精确的机械加工，体积也较大；探针套介质转换型接头的同轴内导体用介质套住，虽然这样降低了波导的等效阻抗，减小了阻抗对频率变化的敏感性，从而展宽了频带，但是，加了介质套筒后，会降低转换器的功率容量，因此这种装置多用于功率较低的情况。而且据[8]报道，内导体加介质护套对电大尺寸的转接头并不能改善带宽，但对电小尺寸的转接头，在低介电常数时，可以增加带宽。
微带--波导转换Waveguide-to-Microstrip
Narrow Band Ridge Waveguide-to-Microstrip Transition for Low Noise Amplifier at Ku-Band Zahid Yaqoob Malik, Abdul Mueed, Muhammad Imran Nawaz Centre for Wireless Communication National Engineering and Scientific Commision Abstract- A compact Ku-band waveguide-to-microstrip transition integrated with low noise amplifier is designed. It acts as an interconnect between waveguide antenna and RF receiver modules. The transition design consists of standard waveguide WR62, a cavity for the low noise amplifier and a solid transformer section in the form of a staircase called ridge. The ridge is fixed in the bottom wall of a waveguide with the help of a screw. The centre conductor of a coaxial connector is brought near this transformer but doesn’t touch the transformer; these elements together with the back of the staircase and an adjacent portion of the bottom wall define a magnetic field coupling loop. This design methodology gives us narrow bandwidth of 500MHz at Ku-band and hence eliminates the need for a filter in receiver section for specific applications. I.I NTRODUCTION Lower loss of waveguide at higher frequencies above X band is advantageous as compared to the coaxial line. At higher frequencies, waveguide-to-microstrip transitions replace waveguide to coaxial transitions to act as interconnects between modules and antennas. These transitions can be also be made to operate at Millimeter wave bands. Waveguide is made from a single conductor which usually propagates a dominant TE mode, having a cutoff frequency below which the waveguide is highly attenuative.Most of the transitions are designed to operate within the frequency band of dominant mode propagation only. As compared with coaxial line, waveguide modes have impedance characteristics that tend to make transition design more challenging. The impedance of each of waveguide modes changes with frequency. In addition, the impedances of standard waveguides are much greater than 50 ohms, typically a few hundred ohms. Consequently, the bandwidth for most waveguide-to- microstrip transitions rarely reaches the full dominant mode bandwidth [1]. Microstrip-to-waveguide transitions have been widely used in testing and evaluating millimeter-wave hybrid and monolithic integrated circuits and combining integrated circuits with waveguide components [2]. The present transition relates to a ridge waveguide-to-microstrip line transition for an amplifier which uses a field effect transistor (FET) or the like. Generally, a waveguide-to-coaxial line transition or a waveguide-to-microstrip line transition is employed to supply an FET with a microwave signal coming in through antenna [5]. The transition apparatus may off-course utilize the magnetic field associated with the electromagnetic wave energy propagating in the waveguide. If the inner conductor of the coaxial transmission line is utilized as a probe to couple to this magnetic field, then the longitudinal axis of the coaxial line may be aligned with the propagating axis of the waveguide. With such an orientation of axes, the overall structure requires less space than those depending upon electric field coupling [6]. This transition provides a simplified and compact structure for waveguide-to-coaxial transmission line. This transition consists of three main subassemblies. The first part is a standard Ku-band waveguide WR62. The second part is impedance transforming section which is mounted in the WR62 waveguide with the help of a screw, the third part is the low noise amplifier cavity having the centre pin of coaxial transmission line. This pin is brought close to the staircase transformer to a side with the waveguide on one end and other end is connected to the alumina substrate used for the low noise amplifier in the cavity. Rest of the paper is organized as follows. The design of the ridge is discussed in section II. Section III discusses simulation work. In section IV, manufacturing details and test results are presented. The work is concluded in section V. II.D ESIGN OF THE R IDGE Impedance Matching Section is designed to match the higher impedance of a waveguide section to a coaxial line, the general practice is to decrease the narrow dimension of the waveguide, that is, the distance between the broadwalls of a rectangular waveguide in a series of steps so as to arrive at an internal dimension that achieves an acceptable impedance match with a satisfactory voltage standing wave ratio (VSWR). The impedance matching transformer (ridge) consists of five quarter wave sections as shown in figure 1. These sections take the form of a staircase of individual steps. The heights of the steps which are generally unequal are chosen in accordance with a set of numerical coefficients referred to as Techbyscheff coefficients [3]. The distance AB between the cavity wall and the end face of the first step is between 0.01 λ and 0.1 λLNA cavity is approximately one quarter of a wavelength. The width of each step is generally between one third and one the first transformer section. This impedance level is dependent