一、背景介紹

波導(dǎo)是一種用于傳導(dǎo)電磁波的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)或封閉通道，通常采用金屬和介電材料制作而成。波導(dǎo)可以在微波和毫米波頻段中傳輸電磁波，在通信、雷達(dá)、微波加熱、光學(xué)、天線和實驗室測試等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。常見的波導(dǎo)類型有矩形波導(dǎo)、同軸線、共面波導(dǎo)、微帶線波導(dǎo)等。復(fù)雜的電子電路系統(tǒng)通常集成了多個模塊和多種類型波導(dǎo)，這些模塊之間的信號傳輸需要將不同類型的波導(dǎo)進(jìn)行連接，實現(xiàn)信號模式轉(zhuǎn)換或高效率傳輸。

轉(zhuǎn)換設(shè)計的方式有很多，按結(jié)構(gòu)類型可劃分為：空間耦合轉(zhuǎn)換、過渡結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和匹配網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換等。

1、空間耦合轉(zhuǎn)換：這種轉(zhuǎn)換通常用于微帶線等平面波導(dǎo)和類似矩形波導(dǎo)的腔體波導(dǎo)之間的轉(zhuǎn)換，通過特殊的尺寸設(shè)計，將微帶探針E/H面的準(zhǔn)TEM模式的電磁波耦合在矩形波導(dǎo)內(nèi)部，進(jìn)而實現(xiàn)信號的模式轉(zhuǎn)換和傳輸。

圖 1 探針耦合轉(zhuǎn)換波導(dǎo)

2、過渡結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換：通過逐漸變化的波導(dǎo)尺寸進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，避免了阻抗突變造成過多反射。

圖 2 漸變轉(zhuǎn)換波導(dǎo)

3、匹配網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換：通過在不同波導(dǎo)之間添加阻抗匹配器件，將兩側(cè)波導(dǎo)元件或電路模塊連接起來，實現(xiàn)信號的高效傳輸。

圖 3 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)通常由三部分組成：輸入端波導(dǎo)、輸出端波導(dǎo)、阻抗匹配結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器件最核心的要求是能夠連接具有不同阻抗的波導(dǎo)端口，將輸入端的信號以極高的效率傳輸至另一側(cè)的輸出端。在微波或更高頻段，電磁波波長較短，波導(dǎo)連接處極易因加工誤差產(chǎn)生過多反射，導(dǎo)致信號無法在系統(tǒng)內(nèi)高效傳輸。此外，不同波導(dǎo)的傳播模式也可能存在差異，模式失配也會造成信號無法正常傳輸。

為了確保波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器性能能夠滿足實際應(yīng)用要求，需要進(jìn)行詳細(xì)的計算分析和終端應(yīng)用試驗。計算分析一般要獲得波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器在端口激勵下的S參數(shù)、場分布、電磁場模式等。基于Simdroid多物理場仿真平臺開發(fā)的仿真APP，可以實現(xiàn)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計與分析，提取相關(guān)性能參數(shù)，提高產(chǎn)品研發(fā)效率。

二、仿真APP解決方案

本方案以微帶-共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器為例，介紹波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器件的分析過程和仿真APP制作方法，并基于仿真APP完成器件的尺寸設(shè)計。

1、仿真流程搭建

1）參數(shù)化建模。建立波導(dǎo)模型，將其關(guān)鍵設(shè)計尺寸參數(shù)化。

圖 4 波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器

2）材料參數(shù)設(shè)定。為金屬和介質(zhì)層定義電磁屬性。

圖 5 材料參數(shù)設(shè)定

3）網(wǎng)格劃分。采用四面體網(wǎng)格，波導(dǎo)連接處進(jìn)行網(wǎng)格加密。

圖 6 網(wǎng)格劃分

4）邊界條件和激勵端口添加。空氣域設(shè)為無限大空間，在微帶線和共面波導(dǎo)兩端添加端口激勵。

圖 7 邊界和端口激勵

5）輸出變量設(shè)置。通過場監(jiān)視器選項，添加想要分析的場量，本APP設(shè)置了電場強度為輸出變量。

圖 8 場監(jiān)視器定義

6）求解設(shè)置。設(shè)置掃頻模式、求解頻率范圍和求解步長。

圖 9 求解設(shè)置

7）計算結(jié)果。分別查看S參數(shù)曲線和不同頻率下的電場云圖。

圖 10 -1  S參數(shù)曲線

圖 10-2 結(jié)果云圖

2、仿真APP封裝

基于Simdroid平臺提供的仿真APP開發(fā)環(huán)境，通過選擇和鼠標(biāo)拖拽的方式搭建器件分析APP界面，將波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的分析過程進(jìn)行封裝，開發(fā)具有尺寸設(shè)計、分析求解、結(jié)果查看完整過程的一體化仿真APP，如下圖所示。

圖 11 仿真APP開發(fā)環(huán)境

3、基于仿真APP的結(jié)構(gòu)設(shè)計

下面基于波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器件分析APP，計算不同波導(dǎo)端口間的信號傳輸情況，并以此調(diào)整尺寸，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

對于上述微帶線和共面波導(dǎo)，電磁波的傳播模式并不一致，且特性阻抗分別為50Ω和70Ω，阻抗失配，無法有效傳輸信號，通過APP中的參數(shù)控制進(jìn)行迭代優(yōu)化可以解決該問題。通過參數(shù)優(yōu)化可以得到以下結(jié)果，從S參數(shù)計算結(jié)果可以看出，在求解的頻率范圍內(nèi)，波導(dǎo)端口間已實現(xiàn)高效的信號傳輸。

圖 12 器件優(yōu)化設(shè)計

三、波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器設(shè)計仿真APP應(yīng)用

波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器件常用于微波毫米波的電子電路系統(tǒng)中，比如：

• 通信系統(tǒng)：波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器可用于微波和毫米波通信系統(tǒng)，如衛(wèi)星通信、移動通信基站和通信鏈路。

• 雷達(dá)系統(tǒng)：雷達(dá)系統(tǒng)需要在高頻段傳輸和接收微波信號，波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器用于連接不同部分的雷達(dá)系統(tǒng)以確保信號傳輸?shù)挠行浴?/p>

• 天線系統(tǒng)：波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器可用于連接不同類型的天線，以滿足特定頻段或極化要求。

• 科學(xué)研究：在科學(xué)實驗中，如天文學(xué)、物理學(xué)和氣象學(xué)，波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器可用于傳輸和接收微波信號，以用于測量和研究。

• 高頻測量和測試儀器：在實驗室和工業(yè)環(huán)境中，波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器可以用于連接不同類型的測試儀器，以進(jìn)行高頻測量和測試。

針對不同的波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器類型，都可建立與之對應(yīng)的仿真APP，將分析過程進(jìn)行封裝，實現(xiàn)產(chǎn)品性能的快速分析，完成產(chǎn)品的尺寸設(shè)計。

有了仿真APP的協(xié)助，工程師不再需要進(jìn)行繁瑣的建模與分析操作，也不需要過多關(guān)注分析原理和計算過程，就可以完成電磁性能符合要求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，本需要專業(yè)仿真工程師才能勝任的分析計算工作，可以部分交由設(shè)計工程師處理，減少設(shè)計部門和分析部門之間的迭代次數(shù)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。歡迎廣大微波電路系統(tǒng)及波導(dǎo)器件生產(chǎn)企業(yè)工程師在線使用仿真APP快速完成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器件設(shè)計，輔助產(chǎn)品研發(fā)：https://www.simapps.com/v2/engineering-app/all/206267

四、仿真APP賦能每一個工業(yè)品

相較于傳統(tǒng)有限元仿真軟件，基于Simdroid開發(fā)的仿真APP更加靈活輕便，用戶可以零門檻低成本、跨平臺跨終端隨時隨地訪問云平臺進(jìn)行仿真分析工作，提升產(chǎn)品研發(fā)效率。

同時，Simapps平臺也支持企業(yè)產(chǎn)商將仿真APP的在線計算界面內(nèi)嵌到官方網(wǎng)站產(chǎn)品宣傳頁，或?qū)⒎抡鍭PP的二維碼植入到產(chǎn)品介紹手冊，為需求端用戶展示產(chǎn)品的科學(xué)設(shè)計方式及產(chǎn)品性能，提供產(chǎn)品使用場景的仿真分析。仿真APP賦能每一個工業(yè)品，助力企業(yè)提升產(chǎn)品競爭力。

五、關(guān)于Simdroid

Simdroid 是云道智造自主研發(fā)的通用多物理場仿真平臺，具備自主可控的隱式結(jié)構(gòu)、顯式動力學(xué)、流體、熱、低頻電磁、高頻電磁、多體動力學(xué)等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統(tǒng)一友好的環(huán)境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。同時，作為仿真PaaS平臺，其內(nèi)置的APP開發(fā)器支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數(shù)化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為可復(fù)用的仿真APP。歡迎使用Simdroid平臺開發(fā)（定制）屬于您自己的仿真APP，試用下載：https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid