仿真APP在波导转换器设计中的应用
一、背景介绍
波导是一种用于传导电磁波的导向结构或封闭通道，通常采用金属和介电材料制作而成。波导可以在微波和毫米波频段中传输电磁波，在通信、雷达、微波加热、光学、天线和实验室测试等领域应用广泛。常见的波导类型有矩形波导、同轴线、共面波导、微带线波导等。复杂的电子电路系统通常集成了多个模块和多种类型波导，这些模块之间的信号传输需要将不同类型的波导进行连接，实现信号模式转换或高效率传输。
转换设计的方式有很多，按结构类型可划分为：空间耦合转换、过渡结构转换和匹配网络转换等。
1、空间耦合转换：这种转换通常用于微带线等平面波导和类似矩形波导的腔体波导之间的转换，通过特殊的尺寸设计，将微带探针E/H面的准TEM模式的电磁波耦合在矩形波导内部，进而实现信号的模式转换和传输。
图 1 探针耦合转换波导（来自网络）
2、过渡结构转换：通过逐渐变化的波导尺寸进行信号转换，避免了阻抗突变造成过多反射。
图 2 渐变转换波导（来自网络）
3、匹配网络转换：通过在不同波导之间添加阻抗匹配器件，将两侧波导元件或电路模块连接起来，实现信号的高效传输。
图 3 阻抗匹配网络（来自网络）
波导转换结构通常由三部分组成：输入端波导、输出端波导、阻抗匹配结构。波导转换器件最核心的要求是能够连接具有不同阻抗的波导端口，将输入端的信号以极高的效率传输至另一侧的输出端。在微波或更高频段，电磁波波长较短，波导连接处极易因加工误差产生过多反射，导致信号无法在系统内高效传输。此外，不同波导的传播模式也可能存在差异，模式失配也会造成信号无法传输。
为了确保波导转换器性能能够满足实际应用要求，需要进行详细的计算分析和终端应用试验。计算分析一般要获得波导转换器在端口激励下的S参数、场分布、电磁场模式等。基于Simdroid多物理场仿真平台开发的仿真APP，可以实现波导转换结构的快速设计与分析，提取相关性能参数，提高产品研发效率。
二、仿真APP解决方案
本方案以微带-共面波导转换器为例，使用Simdroid对波导转换器件设计过程进行仿真分析，以及将仿真模型和流程封装成仿真APP，并基于仿真APP完成转换器件的性能优化设计。
微带线传递的电磁波主要在金属导带与接地金属板间的介质层中传播，而共面波导传递的电磁波主要在金属导带和同面接地金属条带间传播，传播模式的不匹配会显著降低两种波导器件之间的信号传输效果。此外，波导器件之间的阻抗失配也会增大回波损耗，降低信号传输效率，甚至大大降低相关设备的信噪比等重要指标。
如图4所示，仿真模型是由微带线、非接地共面波导、圆柱形连接器及介质层组成。微带线馈电端口特性阻抗为50Ω，共面波导特性阻抗为70Ω。通过过渡结构将微带线阻抗由50Ω逐渐转换为与共面波导阻抗相匹配的70Ω，利用圆柱形连接器将微带线末端与共面波导相连，将微带线上的信号模式转换为共面波导支持的传播模式。通过调整圆柱半径，可以减少转换过程中圆柱体造成的反射，优化转换效率，最终实现信号在微带线-共面波导之间的高效传输。
图4 波导转换器仿真模型示意图
1、仿真流程搭建
1）参数化建模。建立波导模型，将其关键设计尺寸参数化。
图 5 波导转换器
2）材料参数设定。为金属和介质层定义电磁属性。
图 6 材料参数设定
3）网格划分。采用四面体网格，波导连接处进行网格加密。
图 7 网格划分
4）边界条件和激励端口添加。设置空气域模拟无限大空间，在微带线和共面波导两端添加端口激励。
图 8 边界和端口激励
5）输出变量设置。通过场监视器选项，添加想要分析的场量，本APP设置了电场强度为输出变量。
图 9 添加S参数和场监视器
6）求解设置。设置扫频模式、求解频率范围和求解步长。
图 10 求解设置
7）计算结果。分别查看S参数曲线和不同频率下的电场云图。
图 11 -1 S参数曲线
图 11-2 24GHz(上图)和36Ghz(下图)的电场云图计算结果对比
2、仿真APP封装
基于Simdroid平台提供的仿真APP开发环境，通过选择和鼠标拖拽的方式搭建器件分析APP界面，将波导转换器的分析过程进行封装，开发具有尺寸设计、分析求解、结果查看完整过程的一体化仿真APP，如下图所示。
图 12 仿真APP开发环境
3、基于仿真APP的结构设计
下面基于波导转换器件仿真APP，计算不同波导端口间的信号传输情况，并以此调整尺寸，优化结构设计。
对于上述微带线和共面波导，电磁波的传播模式并不一致，且特性阻抗分别为50Ω和70Ω，阻抗失配，无法有效传输信号，通过APP中的参数控制进行迭代优化可以解决该问题。通过参数优化可以得到以下结果，从S参数计算结果可以看出，在求解的频率范围内，波导端口间已实现高效的信号传输。
图 13 仿真APP优化器件设计
三、波导转换器设计仿真APP应用
波导转换器件常用于微波毫米波的电子电路系统中，比如：
通信系统：波导转换器可用于微波和毫米波通信系统，如卫星通信、移动通信基站和通信链路。
雷达系统：雷达系统需要在高频段传输和接收微波信号，波导转换器用于连接不同部分的雷达系统以确保信号传输的有效性。
天线系统：波导转换器可用于连接不同类型的天线，以满足特定频段或极化要求。
科学研究：在科学实验中，如天文学、物理学和气象学，波导转换器可用于传输和接收微波信号，以用于测量和研究。
高频测量和测试仪器：在实验室和工业环境中，波导转换器可以用于连接不同类型的测试仪器，以进行高频测量和测试。
针对不同的波导转换器类型，都可建立与之对应的仿真APP，将分析过程进行封装，实现产品性能的快速分析，完成产品的尺寸设计。
有了仿真APP的协助，工程师不再需要进行繁琐的建模与分析操作，也不需要过多关注分析原理和计算过程，就可以完成电磁性能符合要求的产品结构设计。同时，本需要专业仿真工程师才能胜任的分析计算工作，可以部分交由设计工程师处理，减少设计部门和分析部门之间的迭代次数，缩短产品研发周期，降低研发成本。访问Simapps在线使用仿真APP快速完成波导转换器件设计，辅助产品研发。
四、仿真APP赋能每一个工业品
相较于传统有限元仿真软件，基于Simdroid开发的仿真APP更加灵活轻便，用户可以零门槛低成本、跨平台跨终端随时随地访问云平台进行仿真分析工作，提升产品研发效率。
同时，Simapps平台也支持企业产商将仿真APP的在线计算界面内嵌到官方网站产品宣传页，或将仿真APP的二维码植入到产品介绍手册，为需求端用户展示产品的科学设计方式及产品性能，提供使用场景的仿真分析。仿真APP赋能每一个工业品，助力企业提升产品竞争力。
五、关于Simdroid
Simdroid（中文名“伏图”）是云道智造自主研发的通用多物理场仿真PaaS平台，具备自主可控的隐式结构、显式动力学、流体、热、低频电磁、高频电磁、多体动力学等通用求解器，支持多物理场耦合仿真。在统一友好的环境中为仿真工作者提供前处理、求解分析和后处理工具。同时，作为仿真PaaS平台，其内置的APP开发器支持用户以无代码化的方式便捷封装参数化仿真模型及仿真流程，将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP。访问Simapps申请使用Simdroid平台开发（定制）属于您自己的仿真APP。
