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

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 prompt = {'波导填充介质的介电常数:','波导宽边尺寸(mm):','波导窄边尺寸(mm):',"需计算的工作频率(GHz)："}; dlgtitle = 'Input'; dims = [1 35]; definput = {'1','23.53','11.77','10'}; answer = inputdlg(prompt,dlgtitle,dims,definput); %矩形波导TE10模式截止频率计算 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'),...     strcat(num2str(fre/1e9),'GHz的波导波长为：',num2str(2*pi/beta_g*1e3),'mm')});

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

建模仿真还是挺费时间和精力的，希望大家多点赞分享！

*本文的图片部分来自CST2018软件

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