偶极子相控阵天线的仿真与优化

实验报告

学生姓名：学号：指导教师：

实验地点：实验时间：

一、实验室名称：

二、实验项目名称：微波工程CAD实验

三、实验学时：20

四、实验原理：

CST仿真软件是基于有限积分法，将整个计算区域离散化并进行数值计算，模拟各种实际器件得出场分布及其各种参数的特性曲线，最后可根据实际要求对所得结果进行优化，得出最优化下的器件尺寸参数。

本次实验利用CST对偶极子相控阵天线及微带到波导转换模型进行了仿真模拟，以此来掌握CST的应用。

五、实验目的：

了解并掌握CST仿真软件的基本操作，学习利用CST仿真软件进行一些简单的工程设计。

六、实验内容：

第一题偶极子相控阵天线的仿真与优化：①偶极子天线尺寸如下图，在4~12GHz的频率范围内，请优化单个偶极子天线的工作频率谐振在f0=8GHz，待优化的变量Lambda初值取为29mm，绘出在该工作频率点的方向图；②将该单个天线在x和y方向分别以Lambda/4作为空间间隙、以90度作为相位间隙，扩展成一个2*2的相控阵天线阵，请使用三种方法计算该天线阵的方向图；③对结果进行比较、分析和讨论。

第二题微带到波导转换的仿真与优化：在26~30GHz频率范围内优化下图微带到波导的转换，使全频带反射最小，并绘出中心频点28GHz的电场、磁场与表面电流的分布；微带是Duroid5880基片，介电常数2.2，基片厚0.254mm，金属层厚0.017mm，介质上的空气尺寸3*1*8mm，标准50欧姆微带线宽0.77mm；波导是Ka波段的BJ320波导，尺寸7.112*3.556*10mm；L是微带基片底面到波导短路面距离，W0*L0是伸入波导中的微带探针的宽与长，W1*L1是第一段变阻线的宽与长，W2*L2是第二段变阻线的宽与长，7个待优化变量可取下图给的初值。

七、实验器材（设备、元器件）：

台式计算机；CST Design Environment 2009仿真软件；U盘（学生自备）。

八、实验步骤：

第一题：偶极子相控阵天线的仿真

a.单个偶极子天线模型

单个偶极子天线方向图

b.利用3种方法将单个天线扩展成一个2*2的相控阵天线阵

方法一将单个天线的远场结果采用不同的幅度和相位叠加，从而得到阵列的结果。

方法一所得阵列方向图

方法二 构造四个相同的天线，都由各自的同轴线激励，顺次计算完所有天线后，再将结果以任意幅度和相位合并。

方法三对所有天线并行激励，只计算一次就得到远场结果。

对结果进行分析解释：

方法一：未考虑天线之间的耦合，未考虑激励之间的影响。

方法二：计算仅涉及天线结构之间的相互影响。

方法三：同时涉及结构和激励的相互影响。

综上方法三得到的仿真结果最好。

第二题：微带到波导转换的仿真与优化

a.建立微带到波导转换模型

微带到波导转换模型

b. 按题目要求设置工作频率、边界条件及监视器，仿真得到S参数

优化前S参数

c.优化结果

d. 中心频点28GHz处的电场、磁场与表面电流的分布

中心频点电场分布

中心频点磁场分布

中心频点电流分布

对结果进行分析解释：

可以看出，经过优化后S参数曲线发生了较大的改变，优化后的S参数要明显好于优化前。

十、实验结论：

1、偶极子相控阵天线：方法三同时考虑了结构和激励的相互影响，因此该方法所得结果最接近真实值。

2、微带到波导转换：调节几个变量可以得到更好的结果，得到符合要求的参数。

十一、总结及心得体会：

通过本次实验，我掌握了CST软件的基本操作。进行了一些仿真实例的练习后，我对CST的操作更加熟练，而且由于CST相比其他软件计算精度较高，因此CST是一款非常好的仿真软件，在未来的学习中一定能够更多地运用到它。最后谢谢老师对我们的细心教导!

报告评分：

指导教师签字：