《微波技术与天线》课程设计指南
课程设计目的
本次课程设计旨在巩固和深化《微波技术与天线》课程的理论知识,培养以下能力：
（图片来源网络，侵删）
- 理论与实践结合能力：将课堂上学到的传输线理论、微波网络、天线原理等知识应用于解决实际问题。
- 仿真与设计能力：熟练使用至少一种主流的微波/天线仿真软件（如HFSS, CST, ADS等）进行建模、仿真和优化。
- 分析与解决问题能力：针对设计指标，分析问题、提出方案、验证结果并进行优化。
- 文档撰写与表达能力：能够清晰、规范地撰写包含设计思想、过程、数据和结论的技术报告,并进行口头汇报。
设计流程
一个完整的课程设计通常遵循以下流程：
- 选题与任务分析：根据兴趣和可选资源，选择一个设计题目,明确设计指标和约束条件。
- 方案设计与理论计算：查阅相关文献，确定技术方案,并进行初步的理论计算和结构设计。
- 软件建模与仿真：使用仿真软件建立精确的3D模型，设置端口、边界条件、材料参数和求解器,并进行仿真。
- 结果分析与优化：分析仿真结果（如S参数、方向图、增益等），与设计指标对比，找出差距,调整模型参数进行优化迭代。
- 撰写课程设计报告：将整个设计过程、结果和分析整理成一份格式规范、内容详实的报告。
- 答辩与准备：准备PPT，提炼设计要点,准备回答老师可能提出的问题。
设计题目与方向推荐
以下提供几个不同难度和方向的设计题目,供你选择。
无源器件设计（经典入门）
这类设计侧重于理解电磁波在传输线上的传播和耦合，是微波设计的基础。 1：微带线低通滤波器设计**
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设计指标：
（图片来源网络，侵删）- 截止频率：f_c = 2.0 GHz
- 阻带频率：f_s = 3.0 GHz，在此频率处S21 ≤ -20 dB
- 输入输出端口：50 Ω
- 介质基板：FR-4 (εr=4.4, h=1.6mm) 或 Rogers RO4003C (εr=3.55, h=0.8mm)
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设计要点：
- 理论设计：利用“低通原型-频率变换-阻抗变换”三步法，计算出集总元件参数，再利用微带线理论将电感、电容转换为微带线的长度和宽度。
- 仿真优化：在HFSS或CST中建立模型，仿真S参数，观察通带和阻带特性，通过调整微带线的线宽和长度进行优化,使其满足指标。
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报告重点：理论设计公式的推导、微带线参数的计算过程、仿真与理论结果的对比、优化过程分析。 2：微带线分支线耦合器设计**
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设计指标：
- 工作频率：f_0 = 2.4 GHz (Wi-Fi频段)
- 耦合度：C = 10 dB (即主臂输入,耦合端输出功率比10dB)
- 隔离度：|S41| ≤ -20 dB
- 输入驻波比：|S11| ≤ -20 dB
- 相位差：输出端口2和3的相位差为90°
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设计要点：
（图片来源网络，侵删）- 理论设计：根据耦合度计算出各分支线的特性阻抗和电长度（通常是90°）。
- 仿真优化：建立模型，仿真S参数，耦合器的性能对加工误差敏感,需要仔细优化各段微带线的尺寸。
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报告重点：分支线耦合器的工作原理、奇偶模分析方法、各支路阻抗的计算、仿真结果（幅度、相位）的分析。
天线设计（应用广泛，趣味性强）
天线是无线系统的“眼睛和嘴巴”，设计天线能直观地感受到电磁波的辐射特性。 3：微带贴片天线设计**
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设计指标：
- 工作频率：f_0 = 2.45 GHz (ISM频段)
- 工作带宽：S11 ≤ -10 dB，带宽 > 5%
- 增益：G > 6 dBi
- 辐射方向图：具有方向性，最大辐射方向为法向（Z轴）
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设计要点：
- 理论设计：利用传输线模型或腔模理论，估算贴片的宽度（控制辐射）和长度（控制谐振频率）。
- 仿真优化：在HFSS中建立模型，关键在于馈电方式（如微带线馈电、同轴探针馈电）和馈电位置的优化，以实现良好的阻抗匹配（S11）,可以尝试在贴片上开槽来增加带宽。
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报告重点：微带天线的工作原理（腔模理论）、尺寸估算公式、馈电方式对性能的影响、方向图和增益的分析。 4：八木-宇田天线设计**
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设计指标：
- 工作频率：f_0 = 300 MHz (或 433 MHz / 915 MHz)
- 增益：G > 8 dBi
- 前后比：F/B > 15 dB
- 输入阻抗：≈ 50 Ω
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设计要点：
- 理论设计：根据经验公式或查表法，确定反射器、有源振子、引向器的长度和间距。
- 仿真优化：在CST或HFSS中建模，八木天线是典型的阵列天线，各单元的尺寸和间距对方向图和增益影响极大,需要反复调整以达到最佳性能。
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报告重点：八木天线的组成与工作机理、各部分功能、方向图形成原理、仿真方向图（E面和H面）的分析。 5：矩形波导缝隙天线阵列设计（进阶）**
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设计指标：
- 工作频段：X波段 (8-12 GHz)
- 增益：G > 15 dBi
- 波束宽度：E面和H面波束宽度 ≤ 20°
- 电压驻波比：VSWR < 1.5
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设计要点：
- 理论设计：先设计单个谐振缝隙，再根据阵列综合理论（如道尔夫-切比雪夫分布）设计缝隙的位置、长度和幅度分布,以获得所需的方向图。
- 仿真优化：在HFSS中建模，此项目难度较高，涉及波导内部场、缝隙耦合、阵列互耦等问题,需要精细建模和强大的计算资源。
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报告重点：波导缝隙的辐射原理、阵列综合理论的应用、互耦效应的分析、高增益方向图的形成。
常用仿真软件简介
| 软件 | 开发商 | 特点 | 适用方向 |
|---|---|---|---|
| HFSS (High Frequency Structure Simulator) | Ansys (原Ansoft) | 基于有限元法，精度极高，尤其擅长处理复杂结构、天线和射频组件，界面友好，学习曲线适中。 | 天线、滤波器、连接器、高速数字信号完整性分析 |
| CST Studio Suite | Dassault Systèmes (原CST) | 基于时域有限积分法，计算速度快，尤其适合处理电大尺寸问题（如天线阵列、RCS、手机整机辐射）。 | 天线阵列、电磁兼容、RCS、手机、汽车电子 |
| ADS (Advanced Design System) | Keysight | 全链路仿真平台，集成了电路、系统、电磁仿真，强大的“ Momentum ”电磁引擎适合平面电路（如微带电路、MMIC）。 | 射频电路设计（放大器、混频器、滤波器）、系统级仿真、PCB级SI/PI |
建议：对于课程设计，HFSS 是最常用且功能强大的选择,网上教程和资源也非常丰富。
课程设计报告模板与撰写规范
一份优秀的报告是成功的一半,报告应包含以下部分：
- 封面：课程名称、题目、姓名、学号、班级、指导教师、日期。
- 摘要：简要介绍设计背景、目的、采用的方法、主要设计过程和最终结果，约200-300字。
- **目录
