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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

微波射频网

2021-08-29

导读：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。

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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

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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.

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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：