《共面波导结构数值分析与仿真研究7500字（论文）》

Ⅳ共面波导结构数值分析与仿真研究摘要本文不仅介绍了共面波导结构的定义、意义还介绍了研究共面波导的重点以及目前情况。另外，还介绍了可以用于开发的软件—HFSS，包括HFSS软件其他领域的应用。以及研究共面波导结构国内与国外的大体情况。现在，现代通信系统的发展非常迅速，滤波器作为通信系统中非常重要的设备，我们对其的要求也就越来越高。共面波导可以说是微波平面传输线这一类传输线中里面十分的重要的类型之一了。就今天而言，我们要求滤波器不仅要拥有小型化、高性能化，还必须要有容易集成等特性的特点。与其他传输路径结构相比，共面波导容易集成，具有电磁屏蔽性能好、分散性好、加工简单等优点。另外，悬垂结构可以降低电路的插入损耗，增加机械强度，并设计集成电路，实现自封装。共面波导的类型主要有以下几种：传统的共面波导，导体支持的共面波导，微小型机械的共面波导。这个课题主要研究了传统共面波导的基本内容，在传统的共面波导中。接地面在两侧都是半无限延伸的。然而，在实际电路中，接地板是由有限的范围构成的。并使用HFSS软件进行了仿真模拟，实现了对于共面波导结构的基本理解。关键词：共面波导优势类型数值分析目录1.引言 .引言1.1共面波导的国内外的研究现状首先微波平面传输线里面包含了共面波导，所以首先要介绍一下微波平面传输线才能继续介绍共面波导结构。微带线是微波平面传输线的典型之一，接下来本文来说一下微带线的情况。微带传输线发生在1952年，但是微带线被人们的使用频率的不断地增加，人们也开始不容忽视分散现象了。在1971年的时候，波理论分析微波线色散特性的研究结果由MittraR.和Itch.发表出来了。波动理论是从Maxwell方程开始的分析方法，其对传输模式不添加简化条件。但是呢，伴随着微波电路在当今社会的不断地持续发展，微带线被人们的应用也理所当然变得越来越广泛了。微带线被各国的学者使用各种各样的方法来仔细的研究。有位学者使用光谱区域中的Galerkin方法分析了微带线，并在光谱区域求解积分方程的问题。另外，对于包括屏蔽微带线在内的各种微带线人们利用了各种各样的分析方法，比如说有限差分法、直线法、边界要素、特异积分方程式法等方法。近年来，微带传输路径的不连续性被人们通过使用微波变换的方法研究。但是，在人们研究的这些大量的方法之中，最常用的还是保角变换理论来对微带传输线进行分析，这种方法是有优点的：人们可以得出封闭解。同时的话，人们可以通过这种方法来构建面向CAD的微带线的数学模型，而且还是很方便的。人们近年来对于共面波导结构是越来越重视了。主要的原因是相对于传统的微带线传输线中，共面波导具有自己的独特的优势。通常来说对于两端口器件，人们还是非常容易将它们实现串联连接或者是实现它们的并联连接。但是人们就不用在基板上进行钻孔了，通过使用共面波导就可以都容易的提高集成电路的密度；而且它的其色散特性优于微带线。所以在毫米波中可以使用共面波导结构，在光学集成电路中也可以使用共面波导结构。图1-1共面波导结构共面波导结构如图1-1所示。但是在实际的微波集成电路中，真实情况与人们的预期不同，因为共面波导的使用并不普及。举个例子，共面波导结构并没有应用在在我国的微波集成电路的设计中。这其中的理由主要有以下几个方面。1.人们对于共面波导结构的实际应用经验以及测试条件的不足。2.相较于微带线传输结构，使用CAD软件来设计成熟的共面波导和其变形结构的微波电路设计还是有着很大的不足。3.共面波导结构现在依然处于发展的阶段，并且有很多的研究人员正在努力的对着变形结构的共面波导结构做着理论总结和研究，这并不是一件容易的事情。因此，人们需要继续深入研究共面波导。1.2研究共面波导的目的以及意义现如今，通信系统发展之相当的迅速，滤波器作为通信系统中一类非常重要的器件，也必须要快速的发展起来。与此同时，共面波导结构在微波集成电路(MICs)以及单片微波集成电路(mmic)的平面传输线这些条传输线里面使用的是十分频繁的。这条传输线的特点是在施工上是同平面的。这意味着所有导体都在基板的同一侧。该属性简化了制造，并允许使用晶圆片技术进行快速和廉价的表征。与其他的传统的微带线传输结构相比较而言，共面波导结构具有以下的这些优点:首先，它简化了制造过程;其次，它简化了主从器件的简单分流和串联表面安装;第三，它不需要绕孔和通孔，第四，它减少了辐射损失。此外，由a/b的比率决定的共面波导结构的特征阻抗，由此可见对于尺寸的减小是十分可能的，并且使没有限制，唯一的可能的惩罚是更高的损耗。另外，任意两条相邻的线路之间都有一个接地面，因此相邻线路之间的串扰效应非常明显。所以，作为一个结果，CPW电路比传统微带电路密度更大。以上资料都可以说明对于共面波导的研究对我们社会的发展必定是一项十分有意义的事件。1.3共面波导的理论本文从微带线切入，来更加容易地学习和解析共面波导的传播常数和特征阻抗。图1-2微带线的场解图现如今，人们对于微带传输线的使用是比较频繁的，而且微带线的制作是比较简单的，只需要在介质基板的两面分别制作出金属导带和金属接地就可以完成了。通常情况下，电磁场主要集中出现在微带传输线的金属导带和金属接地板之间的区域，为了达到泄露出较少数的电磁能量的目的，可以尽量选用介电常数较大的介质基板。人们是可以通过使用双导体传输线来将微带线演变出来。现在只需要将双导体线的二根金属压扁，而且将双导体的中间填充介质基片，这样就可以形成了微带线，而且它的工作模式是TEM模式，微带的场解如上图1-2所示。但是，在现实中的在绝大多数情况下，使用的中介质基片的厚度是极薄的，所以微带线的场解被人们可近似的等效为准TEM模，也就是可以说微带线的场解基本上与静态解是相同的。图1-3共面波导的场解图从场解图1-2可知微带线电磁场主要是集中在金属导带和金属接地板之间的区域的，与此同时它的辐射损耗较大，而且易产生干扰。与之相比之下，共面波导则有以下的优点：可提高电磁兼容，不易受到干扰。共面波导工作的场模式如图1-3所示,在介质和空气界面附近它的电磁场是比较集中的，其中实线代表电力线,虚线代表磁力线。由于交变电场是处在空气和介质基板的交界处，从而产生了纵向和横向的交变电磁场分量，所以共面波导传输的是准TEM波，而且不存在截止频率。共面波导的特性阻抗是由这些因素构成的：中心导带的尺寸，中心导带距离两侧接地的缝隙尺寸，介质基板的厚度、有效介电常数。应用准静态保角变换法求解，且求解过程中假设导体厚度为零，介质和导体均无损耗。同样地，应用保角变换法将共面波导传输线的总衰减分为由介质引起的损耗和由金属导带和接地导体引起的导体损耗。1.4课题的来源本课题的来源是来自与企业生产、经济、管理、社会发展等实际问题，研究好了这个课题，对于今后我国的社会进步，企业的生产管理发展都是一件十分有意义的事情。1.5研究思路以及技术方法本课题主要研究的是对于共面波导的分析，设计并实现共面波导的仿真，从而可以更直观的了解共面波导结构。根据共面波导理论与分析方法对常用共面波导结构进行参数提取与全波分析。主要内容如下：（1）研究分析共面波导结构的基本内容。（2）研究学习目前可以使用的开发技术和开发平台，确定使用使用HFSS软件进行仿真。（3）根据需求确定整体系统的模块功能你。（4）完成HFSS的建模仿真。（5）测试和验证仿真。所以使用的技术方法是使用HFSS软件来进行仿真。2.共面波导的概述2.1仿真软件——HFSS本课题使用HFSS软件的进行的模拟仿真。HFSS软件在经历了20多年的不断发展后，现如今已经被广泛的应用航空航天，电子半导体，计算机网络，传播通信等的多个领域，并且通过自己的可靠性与仿真精度，仿真速度成为了高频结构设计的首选和行业的标准，同时还减少了设计的周期，并且还增加了竞争力。HFSS是一个三维的电磁模拟软件。人们可以使用HFSS软件来解决，①基本电磁场的数值解以及边界问题，近场辐射问题都可以来被计算。②端口特性阻抗和传输常数。③还可以计算S参数以及和其相应端口阻抗值的归一化的S参数。④结构的固有模式或谐振解。各种射频/微波部件的电磁特性都可以使用HFSS软件来计算，从而可以得到S参数、传播特性、高功率破坏特性，优化部件的性能指标，还可以进行容许差分析，工这样程师们就可以快速完成设计，并且还可以掌握各种器件的电磁特征。在电真空装置（例如行波管、回旋管、速调管）的设计中，HFSS本征模式求解器可以结合周期性边界条件，从而可以精确地模拟装置的色散特性，得到归一化的相位速度和频率关系以及结构中的电磁场分布包含H场和E场，为这样的设备的设计提供强有力的设计手段。天线和系统设计都可以被HFSS软件来进行全面的模拟仿真，并且准确的模拟计算天线的各种性能包括二维、三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S参数等。2.2S参数本文在分析高频电路时，是需要采用网络法莱来进行分析的，这个时候就需要用到S参数了。通常来说，对于一个网络，人们可以来测量和分析它的Y，Z和S参数。在这其中，Y是导纳参数，Z是阻抗参数，S是散射参数。前面两个参数基本上是用于集中电路的，Z参数，Y参数对集中参数电路的分析是非常有效的，各参数都可以进行方便的测试。然而，在微波系统中，人们对于非TEM波电压和电流的确定是十分困难的，并且实际上在微波频率上测量电压和电流也是困难的。S参数是适合于基于入射波和反射波关系的微波电路分析的网络参数，并且通过从设备端口的反射信号和端口发送到其他端口的信号来描述电路网络。散射矩阵反映了端口的入射电压波和反射电压波之间的关系。散射参数可以通过网络分析器直接测量，并且可以通过网络分析技术计算。只要知道网络的散射参数，就可以转换成其他矩阵参数。图2-1二端口网络各端口的S参数S参数，即散射参数。微波传输的重要参数。S12是反传输系数，即分离。S21是正向传输系数，即增益。S11是输入反射系数，即输入回波损失，S22是输出反射系数，即输出回波损失。2.3共面波导特征阻抗的分析下图显示了多层介质衬底上的两种共面波导(CPW)结构的截面图。这两种共面波导结构分别被称为双层衬底上的夹层CPW和CPW。在这些图中，CPW中心带材宽度s等于2a，两个半无限接地面之间的距离为2b。因此，槽宽W等于。对于双层基板上的夹层共面波导和共面波导，两种介质基板厚度分别记为，。相应的相对介电常数分别用和表示。两个起屏蔽作用的金属外壳被放置在距离CPW导体分别为和的位置。CPW导体的厚度为t。图2-2共面波导结构图图2-3共面波导结构图假定CPW导体和介电衬底分别具有完美的电导率和相对介电常数。使用保角映射技术确定和的表达式。假设导体厚度t为零，包括CPW槽在内的所有介质边界存在。然后将CPW划分为几个局部区域，并假设电场只存在于该局部区域。用这种方法，每个局部区域的电容分别确定。那么总电容就是部分电容的总和。CPW的总电容为图中三个局部区域的部分电容之和。公式如下：（2.1）式中分别为仅具有上、下介电层的CPW的部分电容。此外，是在没有所有介质层的情况下CPW的部分电容。这其中：（2.2）这其中：（2.3）（2.4）（2.5）在这里：（2.6）（2.7）由下式得出：（2.8）其中：（2.9）（2.10）（2.11）（2.12）然后：（2.13）被定义为：（2.14）将（2.8）和（2.13）带入（2.14）得：（2.15）与被称为部分填充因子：（2.16）（2.17）最终和被定义为：（2.18）（2.19）C是光在真空中传播的速度。结合（2.8），（2.14），（2.18）和（2.19）得出：（2.20）以上是对于共面波导的特征阻抗的分析。2..4共面波导共面波导结构是由一个顶部表面有导体的介质衬底组成的。导体形成了一个中心地带，在两侧的两个接地面之间用一个狭窄的缝隙隔开。介电衬底的中心带尺寸、间隙、厚度和介电常数决定了线路的有效介电常数、特性阻抗和衰减。这种基本结构被称为传统的CPW。共面波导，又称共面微带传输线，是在介电衬底的一个表面上设置一个中心导体带，然后在紧接中心导体带的两侧设计出导体面。共面波导传播TEM波，而且是没有截止频率的。2.5共面波导仿真2.5.1共面波导的仿真S参数是共面波导结构的基本参数之一，所以本文首先研究的是在固定阻值的情况之下，来研究S参数伴随着频率变化情况可能出现的现象。根据上面描述的共面波导结构的基本理论来构建共面波导结构的仿真模型。使用的软件也是上面已经提到过的HFSS软件。在这次的仿真模型之中，本文所设计的共面波导的阻值是100欧姆，然后根据共面波导结构通常的工作频率，所以设置的扫频频率是从1GHZ-110GHZ，扫频频率间隔是0.1GHZ。图2-4共面波导仿真全面图图2-2是共面波导结构建模仿真的基本图形。最外面的是真空盒子，来模拟在真空环境之下的共面波导结构的工作状况。首先是指定平面设置的边界条件，选择的是辐射边界（radiation）,这个边界条件也是可以称之为吸收边界，是用来模拟开放的表面的。图中的中间带状物（深绿色的部分）的材质为金属，是用来充当共面波导结构中的金属导体带这一部分的，并且这个导体带部分设计的是最常见的矩形波导。导体带两侧是接地部分（灰色的部分）。在金属导体带的下面是介质基片（蓝色的部分），接着介质基片的下面是接地面部分（灰色的部分）。接着在另一侧设计端口激励，而且这个端口激励选择的是波端口（waveport）这个类型的激励，在高速设计中，一般来说，使用波端口的情况是比较多的，来模拟波的发射口，使用波端口是可以用来计算S参数的。在导体带下面的部分是介质基片。图2-5共面波导仿真俯视图图2-3是共面波导结构的俯视图，这张图是依据上面所提到的共面波导结构的基本理论而进行的建模仿真，可以看出共面波导的基本结构。图2-6共面波导仿真仰视图从图2-4共面波导的仰视图这一面来看，这一面都是由金属材质构成的，是用来模拟共面波导结构的接地面的。2.5.2关于共面波导S参数以及其他的仿真结果在搭建完整个共面波导的建模以后，就要开始进行仿真了。但是，在仿真之前，需要确定自己的建模是否正确。再确认了建模没问题之后，如下图所示:图2-7共面波导建模正确图此图就可以说明自己的建模是没有问题的，在这之后就可以进行仿真了。在这基础之上，在研究共面波导结构的其他参数，如下图所示研究的是S参数的变化情况：图2-8共面波导仿真的S11参数图图2-9共面波导仿真的S21参数图图2-8,2-9是将扫频频率设计在1GHZ-110GHZ，扫描频率间隔为0.1GHZ时快速扫描时所获得的S参数波形的仿真结果。首先S参数的意思是散射参数，是共面波导结构中的重要参数，第一条波形是S11，描述的输入反射系数，即是输入回波损失，第二条波形S21描述的是插入损耗。从仿真的结果来看，两个S参数的波形在1GHZ-10GHZ时有着很大的变化，都是十分剧烈的下降趋势，接着第一条波形就有了大幅度的上升，然而第二条S参数的波形依旧是下降，但也已经是小幅度下降了。接下来本文要展示的是电流分布，电场矢量，电场幅度，磁场矢量，磁场幅度图。图2-10电流分布图图2-11电场矢量图图2-12电场幅度图图2-13磁场矢量图图2-14磁场幅度图这些图片是本文所设计的共面波导结构的一些基本信息。与上面共面波导的理论分析所对应。在介质和空气界面附近，无论是电场的矢量和幅度还是磁场的矢量和幅度，它们都是比较集中的。以上就是本文对于共面波导结构的全部研究内容了。2.6共面波导结构仿真的不足与展望由于自身能力的不足，只研究了关于共面波导结构的S参数以及电流分布，电场矢量，电场幅度，磁场矢量，磁场幅度图的内容，但是这些内容对于共面波导来说是相当少而且又比较基础的内容。在当今的社会发展条件下，对于共面波导结构的研究其实还是依旧有着很高的研究价值。如果将来还有机会接触到关于共面波导结构的研究，一定会在现在研究的基础之上，继续的更深入，更全面的研究共面波导，争取为以后社会的发展尽一份自己的力量。结语相比较于微带线来说，共面波导结构拥有更多的优点。。微波集成电路设计已经成为了人们必不可少的一种需要了，所以现如今人们来学习并且掌握共面波导结构的基本内容以及基本的知识是非常有用和必要的。因此，关于共面波导结构的研究同时也已经成为了对于研究微波技术领域的热点。就当前而言，国内外都已经在做这一方面的工作展开了，而且取得了一定的相关成果，这是十分有意义的。当今的社会水平发展，人们要求滤波器的要求提高了。另外，悬垂结构可以降低电路的插入损耗，增加机械强度，并设计集成电路，实现自封装。这个传输线的特征是工程上是同一平面。这意味着所有的导体都在基板的同一侧。由于这种特性简化了制造，并且允许使用晶片技术的快速和廉价的表征，所以对于研究非共面波导是十分有意义的。本文主要是研究了共面波导结构的单方面的内容。主要方面是共面波导的S参数。在知道了共面波导结构的一些基本内容之后，来使用HFSS软件进行建模仿真。在确定的阻值情况下，来研究共面波导结构的S参数。本文是研究的是在扫描频率为1GHZ-110GHZ时，得到了的变化情况。还得到了电流分布，电场矢量，电场幅度，磁场矢量，磁场幅度图这些信息，本文是从最基础的角度研究共面波导的一些最基本的参数情况。通过了这次的仿真结果，更加直观的