Основы автоматизированного проектирования антенных систем. Компьютерный лабораторный практикум
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОННИКИ
(ТУСУР)
Кафедра Сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники
(СВЧиКР)
Основы автоматизированного проектирования антенных систем
Компьютерный лабораторный практикум
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
клабораторным работам для магистрантов, направления 210400.68 "Радиотехника", профиль "Микроволновая техника и антенны"
2014
Министерство образования и науки Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОННИКИ
(ТУСУР)
Кафедра Сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники
(СВЧиКР)
УТВЕРЖДАЮ Зав. каф. СВЧиКР
___________ Шарангович С.Н. “______”_____________2014г.
Основы автоматизированного проектирования
антенных систем
Компьютерный лабораторный практикум
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
клабораторным работам для магистрантов, направления 210400.68 "Радиотехника", профиль "Микроволновая техника и антенны"
Разработчики:
проф.кафедры СВЧиКР
____________Г.Г. Гошин ассистент кафедры СВЧиКР
___________А.А. Трубачев доцент кафедры СВЧиКР
___________А.В. Фатеев
2014
УДК 621.372.62
Гошин Г.Г., Трубачев А.А., Фатеев А.В.
Основы автоматизированного проектирования антенных систем - компьютерный лабораторный практикум: учеб. метод. пособие. – Томск : Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2014. – 120 с.
Излагаются принципы работы со средством автоматизированного проектирования микроволновых устройств и антенных систем CST Design Studio. Представлены методические материалы компьютерного лабораторного практикума по расчету и моделированию микроволновых устройств и антенн.
Предназначено для магистрантов технических вузов, обучающихся по направлению подготовки 210400.68 «Радиотехника», профиль «Микроволновая техника и антенны» в рамках дисциплины «Основы автоматизированного проектирования антенных систем».
УДК 621.372.62
ББК
Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2014
Гошин Г.Г. 2014Трубачев А.А. 2014Фатеев А.В. 2014
|
Оглавление |
|
1 Лабораторная работа № 1. Прямоугольный волновод ............................. |
6 |
|
1.1 |
Теоретический материал по прямоугольным волноводам ................... |
6 |
1.2 |
Рекомендации по выполнению работы................................................... |
9 |
1.3 |
Содержание отчета.................................................................................. |
10 |
1.4 |
Контрольные вопросы ............................................................................ |
10 |
1.5 |
Работа с программным обеспечением .................................................. |
10 |
2 Лабораторная работа № 2. Кольцевой делитель мощности . ................. |
31 |
|
2.1 |
Основные теоретические сведения ....................................................... |
31 |
2.2 |
Рекомендации по выполнению работы................................................. |
46 |
2.3 |
Содержание отчета.................................................................................. |
46 |
2.4 |
Контрольные вопросы ............................................................................ |
47 |
2.6 |
Работа с программным обеспечением .................................................. |
48 |
3 Лабораторная работа № 3. Объемный резонатор на отрезке волновода |
||
................................................................................................................................. |
|
62 |
3.1 |
Основные теоретические сведения ....................................................... |
62 |
3.2 |
Рекомендации по выполнению работы................................................. |
77 |
3.3 |
Содержание отчета.................................................................................. |
77 |
3.4 |
Контрольные вопросы ............................................................................ |
78 |
3.6 |
Работа с программным обеспечением .................................................. |
79 |
4 Лабораторная работа № 4. Фазированная антенная решетка ................ |
89 |
|
4.1 |
Основные теоретические сведения ....................................................... |
89 |
4.2 |
Рекомендации по выполнению работы............................................... |
103 |
4.3 |
Содержание отчета................................................................................ |
103 |
4.4 |
Контрольные вопросы .......................................................................... |
104 |
4.6 |
Порядок выполнения работы ............................................................... |
105 |
Список литературы ..................................................................................... |
120 |
|
1 Лабораторная работа № 1. Прямоугольный волновод
Цель работы: изучение принципов работы программного обеспечения для электромагнитного моделирования устройств CST Microwave Studio и
изучения процесса распространения волн в прямоугольном волноводе.
1.1 Теоретический материал по прямоугольным волноводам
Рассмотрим основы теории распространения электромагнитных волн в прямоугольном волноводе из [1]. В прямоугольном металлическом волноводе (рисунок 1.1.1) с однородным диэлектрическим заполнением распространяются магнитные волны типа Hmn, у которых компоненты HZ ≠ 0, a EZ = 0 (направление оси z совпадает с продольной осью волновода), и
электрические волны Emn, у которых EZ ≠ 0, HZ = 0.
Рисунок 1.1.1 Прямоугольный волновод
Из бесконечного спектра типов волн с индексами m = 0,1,2,... и n = 0, 1,
2, ... распространяться в волноводе будут лишь те, для которых выполняется соотношение
крmn , |
f крmn f , |
где крmn - критическая длина волны данного типа колебания,
f крmn c
крmn 
- критическая частота,
ε, µ - относительная диэлектрическая и магнитная проницаемость
заполняющего волновод материала, f c
- частота генератора,
0
λ- длина волны в среде с параметрами заполняющего волновод материала,
λ0 - длина волны в вакууме.
Критическая длина волны
крmn |
|
|
2 |
|
|
|
, |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
m 2 |
|
|
|||||||
|
|
n 2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
||||||||
|
|
a |
b |
||||||
где a и b - размеры поперечного сечения волновода по широкой и узкой стенкам. При одинаковых индексах m и n выполняется равенство
крH mn крEmn
а волны Hmn и Emn |
|
называются вырожденными. Следует учесть, что |
|||||||||||||||||||||||||
волны H00 , E00 , E0m и Em0 |
не существуют. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Электромагнитное поле распространяющейся волны Hmn имеет |
|||||||||||||||||||||||||||
компоненты: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
mn |
cos |
m |
|
|
x cos |
n |
e |
j mn z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
H z |
H0 |
|
a |
|
|
b |
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
mn |
|
mn |
|
|
|
m |
sin |
m |
x cos |
n |
y e |
j mn z |
|
|||||||||||
H x |
jH |
0 |
|
k mn 2 |
|
|
a |
|
|
a |
|
b |
|
|
, |
||||||||||||
|
|
|
mn |
|
mn |
|
|
|
n |
cos |
m |
x sin |
n |
y e |
j mn z |
|
|
||||||||||
H y |
jH |
0 |
|
k mn 2 |
|
|
b |
|
|
a |
|
b |
|
|
|
, |
|||||||||||
|
|
mn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ex |
ZH |
H y , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Ey ZHmn H x
Ez 0 ,
где βm - продольное волновое число (коэффициент фазы),
k mn |
2 |
- поперечное волновое число, |
||||||||
|
|
|||||||||
|
кр |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
zHmn |
|
|
|
zc |
|
|
|
[Ом] |
- характеристическое сопротивление волновода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|||
|
|
1 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
mn |
|
|||
|
|
|
|
|
кр |
|
||||
для волн типа Hmn, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Z |
|
120 |
|
|
|
|
,[Ом] |
|
- характеристическое |
|
сопротивление |
среды, |
||||||||||||||||||||
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
заполняющей волновод. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Электромагнитное поле распространяющейся волны Emn |
имеет |
|||||||||||||||||||||||||||||||
компоненты: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
mn |
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
j mn z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Ez |
E0 sin |
|
|
|
|
x cos |
|
|
y |
e |
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
a |
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
mn |
|
|
|
mn |
|
|
|
m |
|
|
|
m |
|
|
|
n |
|
|
j mn z |
|
|
|||||||||
Ex |
jE0 |
|
|
|
|
mn |
2 |
|
|
|
a |
|
cos |
a |
|
x sin |
|
b |
y e |
|
|
, |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
mn |
|
|
|
mn |
|
|
|
n |
|
|
|
|
m |
|
|
|
n |
|
|
j mn z |
|
|
|
|||||||
Ey |
jE0 |
|
|
|
mn |
2 |
|
|
b |
sin |
|
a |
|
x cos |
|
b |
y e |
|
|
, |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
H x Ey 
ZEmn ,
H y Ey 
ZEmn ,
H z 0 ,
|
|
|
|
|
|
2 |
|
где |
z mn z |
c |
|
1 |
|
|
[Ом] - характеристическое сопротивление |
|
|||||||
|
H |
|
|
mn |
|
||
|
|
|
|
|
кр |
|
|
волновода с волной Emn.
Другие параметры распространяющихся Emn или Hmn волн
рассчитываются по следующим формулам: |
|
|
||||
- длина волны в волноводе в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
2 |
|
||
|
|
|
|
|||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
mn |
|
|
|
|
|
|
кр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
mn |
|
2 |
|
1 |
|
- коэффициент фазы (или постоянная распространения) в |
|
|
, |
|
|
||||||||||||||||||
mn |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кр |
|
м |
|
- фазовая скорость в волноводе |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
v |
|
|
|
vф |
|
|
|
|
, где v |
|
|
|
с |
|
, |
м |
, |
|
|
|
|
|
|
ф |
|
|
|
|
|
|
|
ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
в |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
mn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
кр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
- групповая скорость волны в волноводе:
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
м |
. |
v |
v |
|
|
1 |
|
, |
||||
|
|
|
|
|||||||
|
грв |
ф |
|
|
mn |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
кр |
|
|
с |
||
1.2 Рекомендации по выполнению работы
При выполнении лабораторной работы необходимо изучить принципы работы программного обеспечения CST Microwave Studio для автоматизированного проектирования микроволновых устройств.
Для каждого варианта данные задаются из таблицы 1.1 Таблица 1.1
№ |
Размеры прямоугольного |
Диапазон |
Длина перехода |
варианта |
волновода a х b, мм |
рабочих частот, |
L, мм |
|
|
fmin-fmax, ГГц |
|
|
|
|
|
1 |
23х10 |
8-12 |
30 |
|
|
|
|
2 |
23х10 |
8-12 |
40 |
|
|
|
|
3 |
23х10 |
8-12 |
50 |
|
|
|
|
4 |
19х9,5 |
10-15 |
25 |
|
|
|
|
5 |
19х9,5 |
10-15 |
35 |
|
|
|
|
6 |
19х9,5 |
10-15 |
45 |
|
|
|
|
7 |
16х8 |
12-18 |
20 |
|
|
|
|
8 |
16х8 |
12-18 |
30 |
|
|
|
|
9 |
16х8 |
12-18 |
40 |
|
|
|
|
1.3 Содержание отчета
Отчет о проделанной работе должен содержать следующие разделы:
Цель работы;
Краткая теория;
Результаты работы - графики зависимостей КСВН от частоты для двух типов переходов.
Выводы по проделанной работе
1.4 Контрольные вопросы
1.Что называется основным типом волны?
2.Какой тип волны является основным для прямоугольного волновода?
3.Какие типы волн называют TE и TH волной?
4.Изобразите линии электрического и магнитного полей для волны типа
H10.
1.5 Работа с программным обеспечением
Для создания нового проекта выберем модуль CST Microwave Studio
(используется версия 2014), который представляет собой программу для полноценного трехмерного электродинамического анализа структур. Далее выбираем создание нового проекта без использования шаблона, что позволит рассмотреть основные моменты настройки программы.