（測試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)論文）微波水分儀的設(shè)計(jì).pdf

沈阿j 工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 在諸多工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，某些材料的含水率對產(chǎn)品的性能質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著非常 重要的影響。在某些場合，要求在線無損測量物質(zhì)的含水率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)生產(chǎn)工藝過 程實(shí)行在線閉環(huán)控制，這就對測濕方法提出了更高的要求。應(yīng)用微波技術(shù)測量物質(zhì)的含水 率，能在線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量，且可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，不易受到物質(zhì)的顏色、結(jié)構(gòu)等的 影響，并可檢鋇8 物質(zhì)內(nèi)部的含水率，結(jié)果更具代表性，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。 微波是一種高頻電磁波，物質(zhì)對微波的吸收和反射性能主要取決于物質(zhì)的介電常數(shù)。 在微波頻段，水的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它固體物質(zhì)材料，當(dāng)微波通過含水物質(zhì)時(shí)，由水分 引起的微波能量的損耗是最顯著的，測量通過物質(zhì)的微波功率衰減、相位變化、諧振頻率 等與介電常數(shù)相關(guān)的物理量，就可測得物質(zhì)的含水率，此即為微波水分儀的測量原理。 本文介紹了利用微波技術(shù)測量物質(zhì)的含水率的理論與方法，微波測濕實(shí)驗(yàn)( 采用透射 衰減法) 及其所用的微波元器件：研究比較了當(dāng)前各種微波仿真軟件的特點(diǎn)，采用a r i s o f t 公司的h f s s 三維電磁場仿真軟件對部分微波元件進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，包括波導(dǎo)式可變衰減 器、最佳h 面喇叭天線、最佳角錐喇叭天線，并且達(dá)到一定的指標(biāo)，這是將微波仿真技術(shù) 應(yīng)用于指導(dǎo)實(shí)踐的個(gè)新的嘗試。 根據(jù)微波檢波輸出信號的特點(diǎn)設(shè)計(jì)并完成了相應(yīng)的水分檢測系統(tǒng)。其中，信號處理系 統(tǒng)包括選頻放大電路、整流濾波電路，并使其輸出與) 轉(zhuǎn)換的范圍相適應(yīng)；單片機(jī)系統(tǒng) 采用m 9 c 5 2 單片機(jī)控制完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和通過m ( 7 2 1 9 驅(qū)動(dòng)顯示等功能，軟 件設(shè)計(jì)在妯lu v i s 砬集成環(huán)境下采用k e i lc 語言完成，由此實(shí)現(xiàn)智能水分儀的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：微波，含水率，測量，h f s s 仿真 微波水分儀的設(shè)計(jì) d e s i g no f m i c m w a v e m o i s t u r ec o n t e m1 1 1 s t r i l m e n t h im 鋤yi i l d u s 廿ya n da 鰣c u h u r ep r o d u c t i o np r o c e s s ，c e n a i nm a t 酣a l sm o i s n j r ec o n t e r i t sl l a v e i l l l p o r 咖礎(chǔ)u e n c et ot h ep i d d l 】dp c d b r m a n c eq u a l i 哪觚dt l l ep o d u c t i o ne 伍c i e n c y ks o m e s i l m t i o l 】，r e q u e s to n - l i n c 撕l dn o n c b ；扭刪v em 船s u 嘲n e l 也m r e a l i z et 1 1 eo n - i i i 圮c l o s e d l o o p 0 0 n 打o lt 0l l l e 枷r ep i 饑i u c t i o nt e c i l f l o l o 百c a lp i d c e s s ，w h i c hp r o p o 辯t l i g h e rr e q 伍r e m 咖f - o fm c m o i s t l l 塢c o n t e i l tm 翎s u 睇m e mm e 吐塒u s i r i gt l l e 痂c r o 、v a v et 。c 1 1 i l o l o g yf o rt h em 砷e f j mm o i s t u r e c o m 既nm e a 飄l r e m e i 止c a l la c t l i e v e l eo n - l i r i er e a l 血r 忙a c c u m t em e a s i l r e m e n a l s oh 勰g o o d r e l i a b i l i t ya n dg 的n ga n l 日a l l 1 1 i ：【1 9 a b i l 時(shí)，鋤d i s “嘲s m v e t o 血e l o r ，吐鹼s t r u c t l h l e 鋤d o n t l l ei 1 1 n u e n c eo ft h em 刪a l ，i i l a ye x 礎(chǔ)et h ei r 蜥o rm o i s m r ec o n t e i i to fm em a 蜘a l ，t i l e m e a 叫r 咖e n tr 鵲山th a sm er e p 陀s t a l i o l l ，t h e r e f o r eh a st h eb r o a da p p l i 謝o np m s p e = c t m i 啪詛v ei so n ek i n do fh j 出缸q u e n c yd 咖m a 罌1 硝cu ，a v e a n d 吐l e 蝴sa b s o i p t i o n 鋤dr e n e c d o np e r f 兩唑m c et 0i ti s 刪yd e c i d c db ym a l t e r sp e m l i t t i v i 夠br n i c r m 硼v e 丘e q u e n c y ，t t l ew 船p 刪撕啊t ) ri sm u c hb i g g e rt h a i la i l ya m e rs o l i dm 刪a l s w h e n 也e r n j a 講刪em r o u g ht l l em a t 搬c o n t a i l l c dw a t e r ，m em i c r o w a v ee n e r g yl o s sc a l l s e db yt 1 1 em o i s n l 陀 c o m e mi s 砌m f k a b l e ，a n dr r 腳蕊n gt 1 1 ep o w e ra t t c n u a t i o i l ，t h ep h a s cc h a i l g e ，t l l er e s o i l a t l c e 丘e q u e n c ya i l d s 0o nn l ep e r n l i n i v i 鑼c o i r e l a t i o np h y s i c a lq 啪t i t y ，m i g h tm e a s u r e 吐l em o i s n j c o r t t e l no f t l l em 砷剛腳，t l l i sm m e l yf 0 rl i l i c w a v em o i 蚍ec o i 衄n tm e a s u r e l i l e n tp r i n c j p l e t h i sa n i c l ei i l 吶d u c e d l ei n i c r o w a v em o i s t i l r ec o n t e n tm e 囂u r e m e n tm e o r y ，m e m o d ， e x p e f i i i l e n t ( u s i n g t r a n s m i s s i o nw e a k e n i a w ) ，a n dm i c r o w a v ed e v i c e ； r e s e a r c h e da n d c o m p a r e dt l 】ec h a r a c t e r i s t i co fk i n d so fn o w a d a ym i c r o w a v es i m u l a t i o ns o r w a r e s ，a n dt h e s i m u l a t i o nd e s i g i lw i t ha n s o f t c o r p o r a t i o nh f s s3 de i e c t r o m a g n e t i c 爪l ds i m u i a t i o n s o t 0 p a n i a ll i l i c r o w a v ed e “c e s ，i n c l u d i n g ，a v e g l l i d et y p ev a r i b l ea n e n u a t o r ，o p t i m 吼 h f i i i l n e l - s m p e da m e n n a ，o p t i m u mp y r 鋤i dm 眥e l s h a p e da n t e 衄丑l l a sb e e nc a r r i e do n ，a i l d a c h i e v e dc e n a i nt a 喀c l ，w h j c hw a san e wa 戧鋤p t a p p l y i n gt h em i c r o w a v es i m u l a l i o n t e c l l l l o l o g yi nt h ei n s t n l c t i o np m c t i c e a c c o r d i n g t ot h em i c r o 、v a v er e c t i f i e d o u t p u ts i g n a lc h a r a c t e r i s t i c ，d e s i g n e d 鋤d c o m p l e t e dt h ec o r r e s p o n d i n gm o i s t i l r ec o n t e n td e t e c t i o ns y s 劬s i g i l a lp r o c e s s i n ge i e c t r i c 婆墮：蘭些查堂堡主堂堡絲塞 c i r c u i ti n c l u d i n gc h o s ef r e q u e n c y 鋤p l i n e r ，r e c t i f i c a t i o nf i l t e rc i r c u i t ，趾dm a d ei t so u t p u t a d 印t st h ea ，d 協(xié)眥s f o m a t i o ns c o p e ；m c us y s t e mr e a l i z e d 蛐a c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g a i l dt h r o u 曲m a x 7 2 1 9d e m o n s t r a t i o nf u n c t i o nw i t hm ea t 8 9 c 5 2m c u ；齜s o f t w a r ed e s 咖 u s i n gt h ek e i l cl a i l g u a g ew a sc o m p l e t e dl l l l d e rm ek e i l u v i s i o n 2i n t e 掣a t e de n v i r o n r n e n t ， n d mt h e s er e a l i z e st h ei n t e l l i g e n tm o i s t i l r ec o n t e n tm e t e rd e s i g n k e yw o r d s ：m i c r o w a v e ，m o i s t i i c o n t e n t ，m e 船u r e m 蚰t ，h f s ss i l n u l a t i o n 獨(dú)創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得 沈陽工業(yè)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同 工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表 示了謝意。 簽名：張巷日期：知0 7 、弓、，6 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解沈陽工業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨?布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論 文。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵循此規(guī)定) 簽名：張齒導(dǎo)師簽名：日期：砌7 - 弓f 6 沈陽工業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文 1 緒論 1 1 水分測量的意義和現(xiàn)狀 在很多領(lǐng)域中，如食品、醫(yī)藥、飼料、化工、冶金等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，某些成品或 半成品材料的水分含量對產(chǎn)品的性能和質(zhì)量都有著非常重要的影響。所檢測的材料有板 狀、粉末、顆粒、塊狀；有固體或液體等【l 】。所以，對這些物質(zhì)水分含量的測量就顯得尤 為重要。在有些生產(chǎn)過程中，要求在線無損測濕，實(shí)行進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)生產(chǎn)工藝過程實(shí)行 在線閉環(huán)控制，這就對測濕方法提出了更高的要求。 計(jì)算材料的含水量通常采用的是濕基法，即樣品的含水量： m ：當(dāng)二墜1 0 0 ( 1 1 ) w l 式中，w l 為被測樣品干燥前的重量；w 0 為被測樣品干燥后的重量。 水分測量方法有直接法和間接法兩種。作為標(biāo)準(zhǔn)方法的是直接測量法，直接法是通過 干燥或化學(xué)方法，直接去除樣品中的水分，檢測出樣品的含水量。直接法往往需要很長時(shí) 間，雖然很準(zhǔn)確但不能進(jìn)行在線測量，只適合于取樣測量，通?？梢詫⑺鳛闄z驗(yàn)其它方 法的檢測標(biāo)準(zhǔn)。 目前應(yīng)用較多的是間接測量法，所謂間接法就是通過測量跟水分含量有關(guān)的電量或者 非電量的變化( 如物質(zhì)的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等) ，來相應(yīng)地測定物質(zhì)的含水量，一般速度 較快，易實(shí)現(xiàn)在線檢測】。國內(nèi)外用于測量物質(zhì)含水量的間接法主要有電阻法、電容法、 中子法、微波法及紅外法等，其特點(diǎn)、適用范圍、測量精度等各不相同。 ( 1 ) 電阻( 導(dǎo)) 法 電阻( 導(dǎo)) 法是應(yīng)用最早的水分電測方法，是利用物體的直流電阻或電導(dǎo)隨其含水量 的不同而變化的原理設(shè)計(jì)的【堋。干砂和干土等礦物的導(dǎo)電性均很低，而水分對物料電阻的 影響較大，在低水分區(qū)范圍內(nèi)，這些吸濕物料的水分與電阻呈對數(shù)關(guān)系，當(dāng)含水量增加 時(shí)，電阻值減小，此即電阻法的測量原理。采用兩個(gè)電極把被測介質(zhì)夾緊，或者使兩個(gè)電 極插入介質(zhì)中，通過檢測介質(zhì)的電阻值進(jìn)而得出介質(zhì)含水量。此方法結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度 快，成本低，由于其取樣較少，適合于非在線測量。 微波水分儀的設(shè)計(jì) ( 2 ) 電容法 電容法把物料作為電介質(zhì)，水分含量的高低將顯著影響其介電常數(shù)的變化，通過測得 的介電常數(shù)值來測量其含水量1 8 1 9 l 。根據(jù)被測物質(zhì)不同，電容的電極結(jié)構(gòu)也有所不同，主要 有平板式、圓筒式等電極結(jié)構(gòu)。電容法優(yōu)點(diǎn)是電極與樣品接觸要求不是很嚴(yán)格，可靠性 高，簡便經(jīng)濟(jì)，易維護(hù)，可用于在線檢測。缺點(diǎn)是影響因素多，受溫度、品種、緊實(shí)度等 影響、數(shù)據(jù)復(fù)雜，需要進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，才能提高檢測的精度。 ( 3 ) 中子法 中子i ! 去【1 0 1 是利用水中的氫原子核對快中子的減速作用原理來測量物料水分的，該法不 破壞物質(zhì)自然結(jié)構(gòu)。物料體積可以很大，其缺點(diǎn)是氫的散射特性不穩(wěn)，物料中不得含有除 水以外的其它含氫物質(zhì)( 如碳?xì)浠衔锏? 。中子水分儀必須由人工標(biāo)定，還需注意放射 性中子源的安全防護(hù)。 ( 4 ) 紅外法 紅外法又稱紅外線吸收法，其理論基礎(chǔ)是比爾定律，水分對特定波長的紅外輻射有 強(qiáng)烈的吸收帶，根據(jù)通過被測樣品后光強(qiáng)的變化就可得被測物的水分含量。具體方法有反 射式、透射式、復(fù)合式，一般采用反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)。紅外線吸收法的特點(diǎn)是不與被測物料 接觸，響應(yīng)速度快，可測量導(dǎo)電性物質(zhì)，最高精度可達(dá)o 1 ，物料溫度和密度對測量結(jié)果 的影響小，測量水分范圍大，但有些物料中的其它物質(zhì)也具有一定程度的吸收紅外線的能 力，很難測得物料內(nèi)部水分，儀器價(jià)格也較高。 鑒于以上方法的種種缺欠，微波法就顯示出了其優(yōu)點(diǎn)。本世紀(jì)5 0 年代初期，發(fā)展應(yīng) 用微波技術(shù)測量物質(zhì)的含水量，它能在線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量，且處理方便、結(jié)構(gòu)簡單，安全可 靠。結(jié)合微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)，能對生產(chǎn)過程進(jìn)行相應(yīng)的控制，還可以形成閉環(huán)自動(dòng)控制水 分含量，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。而傳統(tǒng)的和一般的傳感方法已不能滿足這方面的要求。 1 2 微波特點(diǎn)及其測濕原理 微波是電磁波中介于普通無線電波的短波與紅外線之問的波段，通常把波長為 1 m 1 1 1 1 i n ，即頻率為3 0 0 m h z 3 0 0 g h z 問的波段稱為微波，波長從l m m 0 o l m m 的亞毫米 波段則是微波與紅外的過渡波段。 沈剛i ：業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 微波本質(zhì)上是隨時(shí)問和空間變化的呈波動(dòng)狀態(tài)的電磁波。微波波段區(qū)別于其他波段的 主要特點(diǎn)是其波長可同電路或元件的尺寸相比擬，因此微波在電路內(nèi)甚至元件內(nèi)的傳播時(shí) 間( 相位滯后) 不再是微不足道的，集總參數(shù)的概念不再有效i l “。 在較低頻率的電路中往往可以區(qū)分出電路的某一部分是電容( 即電場集中的地方) ， 另一部分是電感( 磁場集中的地方) 或電阻( 損耗集中的地方) ，而連接它們的導(dǎo)線則沒 有電感和電容，也沒有電阻，這就構(gòu)成集總參數(shù)電路。但到了微波波段，元件中的電場和 磁場已經(jīng)構(gòu)成一個(gè)整體即交變的電磁場，一般的無線電元件如電阻、電容、電感等由于輻 射效應(yīng)和趨膚效應(yīng)都不能使用，必須用微波元件來代替，包括傳輸線、波導(dǎo)、諧振腔等。 另外，電磁波是以光速傳播，從電路的一端傳到另一端，要產(chǎn)生“延時(shí)效應(yīng)”，在微波系統(tǒng) 中，延時(shí)與周期可以比擬，在同一時(shí)間，處于微波器件不同的幾何位置處，電磁波的相位 也不相同，使得電磁場的能量分布于整個(gè)微波電路之中，形成所謂的“分布參數(shù)”。因此集 總參數(shù)的方法失效，代之而起的是分布參數(shù)和場的概念。在微波領(lǐng)域中，以麥克斯韋方程 為基礎(chǔ)的宏觀電磁理論得到了充分的應(yīng)用?？梢?，微波領(lǐng)域采用的是獨(dú)特的元件、技術(shù)和 研究方法。 微波檢測技術(shù)是在微波電子學(xué)和微波測量技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新技術(shù)，屬于 低功率微波能的應(yīng)用范疇口3 1 。它研究的內(nèi)容包括微波檢測方法和裝置的基本原理、結(jié)構(gòu)和 類型，它將微波作為信息傳遞的媒介，根據(jù)被測物料對微波有反射、透射、散射、諧振和 多h 勒效應(yīng)等物理特性，將待測物的非電量( 物理性能及技術(shù)工藝參數(shù)等) 轉(zhuǎn)換成微波電 參量的變化來進(jìn)行測量，以實(shí)現(xiàn)對各種材料、構(gòu)件和產(chǎn)品進(jìn)行非破壞性檢測和故障診斷。 由于微波的穿透力很強(qiáng)，可以通過空間輻射的方式穿過介質(zhì)的內(nèi)部，測量過程中傳感器可 以不與被測物質(zhì)接觸，非常適合于在線無損檢測。 微波與其它檢測技術(shù)相比，還具有以下一系列特點(diǎn)【1 4 1 ： 有極寬的頻譜可供選用，可根據(jù)被測對象的特點(diǎn)來選擇不同的測量頻率； 微波具有良好的定向輻射特性，在各種障礙物上能產(chǎn)生良好的反射； 微波的傳輸特性良好，傳輸中受煙、塵、火焰、溫度、化學(xué)氣氛等的影響極??； 測量信號本身就是電信號，無需進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，響應(yīng)速度快； 微波水分儀的設(shè)計(jì) 介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對微波的吸收最大，這也是微波測 量水分的物理基礎(chǔ)【1 5 】。 在外加電場作用下，能建立起極化的物質(zhì)稱為電介質(zhì)。當(dāng)把電介質(zhì)放入電場中 后，電場的作用使電子與原子核之問發(fā)生微小的相對位移，這就是電介質(zhì)的極化。電 介質(zhì)特性是物質(zhì)的內(nèi)在特性，它描述波與物質(zhì)之問的相互作用。當(dāng)微波通過電介質(zhì)物 質(zhì)后，在比熱、比重和形狀大致相同的條件下，電介質(zhì)物質(zhì)對微波的吸收、穿透和反 射性能主要決定于其介電常數(shù)。應(yīng)用這一特性可用于非電量的連續(xù)、無損測量，如濕 度與密度測量等。 水具有很強(qiáng)的極化特性，水分子在外電場的作用下，會被極化成偶極子，并沿電場方 向取向，外電場改變，則偶極子重新排列，并吸收電能以克服內(nèi)力，此時(shí)電場能量被消 耗。微波是頻率極高的電磁波，在微波作用下，水偶極子頻繁換向消耗大量電能。當(dāng)波長 為1 厘米時(shí)，這種損耗最大。含水物質(zhì)在微波場中極化損耗的特性，可通過其在微波場中 的復(fù)合介電常數(shù)來表征，測得其復(fù)合介電常數(shù)，便能日j 接測得該物質(zhì)中含水量的多少。其 介電常數(shù)可以表示為 占= f7 一j s ( 1 2 ) 其中f 7 代表介質(zhì)的儲能特性，反映了在電場中被極化的能力，而是由弛豫損耗造 成的，常以熱量的形式散發(fā)。介電常數(shù)中9 7 和的大小與電場的頻率有關(guān)。例如，在頻 率為l o g k 時(shí)，水的f 勻5 4 ，一般材料s ， 1 0 ；水的損耗因子占，= 4 0 ，而一般材料s l 。這個(gè) 顯著差別表示：當(dāng)微波通過含水物質(zhì)時(shí)，由水分引起的微波能量的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它干物 質(zhì)引起的損耗，物質(zhì)中的含水量將顯著的影響其介電常數(shù)，因此測量通過物質(zhì)的微波的功 率衰減、相位變化、諧振頻率等與介電常數(shù)相關(guān)的物理量，就可測量物質(zhì)的含水率【1 6 】。 而且，微波所檢測的不僅僅是物質(zhì)表層的水分，還可檢測物質(zhì)內(nèi)部的水分含量，測量 結(jié)果更有代表性。微波對低耗介質(zhì)材料有較深的穿透能力，也能穿透對聲衰減很大的非金 屬材料，因而適用于檢測玻璃、原油、糧食、紙張、纖維織物等多種物料；所用的功率電 平很低，對待測物料沒有影響，安全且防塵。總的來說，利用微波進(jìn)行水分測量的優(yōu)點(diǎn)是 操作簡單，測量精度高，測量范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測量，而且在測量中不易受到物 質(zhì)的顏色、結(jié)構(gòu)等的影響，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，因此有著極其廣闊的應(yīng)用日u 景。 沈陽i ：業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 微波測濕的發(fā)展與趨勢 起初，微波測濕應(yīng)用是測量谷物濕度。在改進(jìn)測量谷物濕度的精度和可靠性目標(biāo)上， 微波頻率具有某些特殊的、性質(zhì)不同的優(yōu)點(diǎn)。在很寬的頻率范圍內(nèi)，谷物的濕度與介電特 性是緊密相關(guān)的，而谷物中水的介電特性比其中干燥物質(zhì)的介電特性值高得多，且對微波 特別敏感i m 。美國主要研究谷物濕度的測量口惻，1 9 7 3 年，美國鼬a s 硎s 虹詳細(xì)地討論了 用微波技術(shù)確定濕度的一般原理及測試設(shè)備，并作了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了“密度不相 關(guān)”的理論，通過同時(shí)測量透射衰減后的幅值與相位來實(shí)現(xiàn)。 英國m o i s t u r es e n s o r s 公司研制出一種以微波傳感器在生產(chǎn)傳輸線上動(dòng)態(tài)檢測織物、紙 張、紙板等制品的濕度值的檢測技術(shù)。此微波檢測技術(shù)可在短時(shí)間內(nèi)檢測得知物件表、 里、深厚層位的濕度值，精度為o 1 。德國的p l e v a ，美國的s t r a n d b e 唱，都是運(yùn)用微波 技術(shù)來測定織物的含濕量，前者測定微波的透射能量，后者測定微波的反射能量。 英國h y d r o n i ) 【公司是在混凝土工業(yè)中利用微波吸收技術(shù)進(jìn)行在線濕度測量的首創(chuàng)者。 該儀器是由探頭和儀表兩個(gè)基本部分構(gòu)成。探頭接觸被測材料，將檢測的信號經(jīng)處理后以 模擬電壓形式傳到儀表中，儀表將模擬電壓數(shù)字化處理，變成習(xí)慣上采用含水率的百分?jǐn)?shù) 顯示出來并經(jīng)r s 2 3 2 或r s 4 8 5 傳到計(jì)算機(jī)中使用。計(jì)量精度達(dá)到0 2 5 ，并且重復(fù)性在 o 1 之內(nèi)，使混凝土質(zhì)量大為提高。 德國c o n y 公司最新設(shè)計(jì)的微波水分測試儀，采用微波吸收原理，由3 部分構(gòu)成：微 波發(fā)生器，微波接收器，中央處理單元。它可以檢測幾乎所有固體的含水量( 不能含有太 多金屬成分) ，測量精度較好( 達(dá)1 ) ，測量范圍為晰o 或更高。它使用了微波測量 和電子線路的最新技術(shù)，大屏幕觸摸屏顯示和輸入；屏幕顯示水分即時(shí)值和水分曲線，提 供基本的拋0 r n a 模擬輸出，可用來在生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品水分進(jìn)行連續(xù)測量。 總的來說，國際上從事微波測濕研究的有美國、德國、英國、俄羅斯、波蘭、加拿大 等國。其應(yīng)用領(lǐng)域有農(nóng)產(chǎn)品、建材、土壤、食品、造紙、煙草、化肥、石油、紡織、煤 炭、選礦等。但國外生產(chǎn)的各種微波測濕儀器，價(jià)格比較昂貴，也不是大規(guī)模的應(yīng)用。 國內(nèi)也出現(xiàn)了關(guān)于微波測濕的各項(xiàng)研究，應(yīng)用于糧食、煙絲、紙張、砂石、原煤、棉 花、木材等，但還沒有大規(guī)模展開，成本較高制約了它的發(fā)展。利用微波進(jìn)行在線水分測 微波水分儀的設(shè)計(jì) 量的研究，在國內(nèi)尚屬于比較先進(jìn)、急需研究解決的課題，所以做本課題還是具有很強(qiáng)的 實(shí)用價(jià)值和市場價(jià)值的。 1 4 本文工作簡介 由于過程檢測及過程控制發(fā)展的需求，尋求在線實(shí)時(shí)測量方法變得越來越迫切，微波 測濕法的優(yōu)點(diǎn)使其成為在線測量首選。可使微波傳感器對著物料表面，含水量不同的物料 對微波傳輸能量的衰減、反射不同，則會使微波接收功率變化，該信號經(jīng)過檢波放大處理 后作為測量信號，再經(jīng)過定標(biāo)和線性化處理，就可得到物質(zhì)的含水量。 本文的主要工作有： ( 1 ) 研究微波測濕的原理與方法，熟悉微波器件的性能； ( 2 ) 研究各種微波仿真軟件，在微波實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用a n s o f 公司的h f s s 電磁 仿真軟件進(jìn)行微波元件的仿真設(shè)計(jì)； ( 3 ) 對檢波后續(xù)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括信號處理、單片機(jī)控制、顯示結(jié)果等部分，完 成智能水分儀的設(shè)計(jì)。 本文的創(chuàng)新之處在于：將微波仿真軟件應(yīng)用于微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這將是微波電路設(shè)計(jì) 發(fā)展的一種趨勢。 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 微波檢測系統(tǒng) 微波檢測系統(tǒng)用來傳感和采集被測信號，根據(jù)被測量的特點(diǎn)及需求，可以采用不同的 檢測方法。由于水的介電常數(shù)比其他物質(zhì)大很多，經(jīng)過含水物質(zhì)后的微波能量衰減主要由 水分引起，通過測量衰減后的微波能量可以得出物質(zhì)的含水率，這是微波透射衰減法測濕 的原理，該方法符合在線連續(xù)測量的需求，應(yīng)用廣泛。使用微波振蕩源、隔離器、衰減 器、發(fā)射接收天線等微波器件可以搭建微波衰減法測濕系統(tǒng)，對其進(jìn)行了介紹。 2 1 微波檢測方法概述 微波檢測方法按照作為傳感器的微波器件的不同可以分為空間波法、傳輸線法和諧振 腔法。 ( 1 ) 空間波法 電磁波由波導(dǎo)或同軸線引至天線發(fā)射，形成空間波，在空間波傳播途中放置被測物 質(zhì)，電磁波穿過物體后再由接收天線接收進(jìn)入波導(dǎo)或同軸線，這種方法叫做空間透射法； 如果電磁波碰到物料后返回，再由原天線返回波導(dǎo)或同軸線，這種方法叫做空間反射法， 統(tǒng)稱空間波法【1 6 1 ?？臻g波法一直沿用至今，它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以不和被測物料接觸，在一 些不便于接近物料的情況下，常用這種方法?？臻g波法大體類型如圖2 1 所示。 = 口 l 發(fā)射接收天線 7 易 圖2 1 空間波法基本類型 f 嚕2 1s p a c e w a v e m e l i l o d b a s c t y i m a ) 透射法 a ) t 托i n s m i s s i o n n i 砒o d b ) 反射法 b ) r e 們e c t i 0 i lm e 山o d 圖2 1 a 是一種常用的透射波法，圖2 1 b 中以喇叭天線做為收發(fā)天線。想象中的空間波 應(yīng)該是一個(gè)平面波，能像光一樣直線傳播，然而在實(shí)際測量濕度的場合下，兩個(gè)天線間 微波水分儀的設(shè)計(jì) 的空間距離不允許拉的太遠(yuǎn)，因此，兩個(gè)天線問的電磁場分布不是理想的平面波，再加上 被測物料的本身不均勻性，微波通過物料箱時(shí)，會發(fā)生繞射和反射，導(dǎo)致測量的不準(zhǔn)確。 為了減小微波繞射所引起的誤差，被測物料應(yīng)該足夠大，而且要盡量放的離天線近一些， 盡可能靠近接收天線放置，或在物料周圍放一些吸收材料，以保證只有穿經(jīng)物料的微波能 量才能進(jìn)入接收天線。 圖2 1 b 表示的是空間反射波法田】，只使用一個(gè)天線，既作發(fā)射，又作接收用，所接 收的是含有物料水分信息在內(nèi)的反射波。裝置簡單，易于安裝，便于應(yīng)用在生產(chǎn)線上。其 缺點(diǎn)是分辨力不高，對含水量較低的物料適用，兩次穿經(jīng)物料后的反射波能量仍比第一次 界面反射波能量大得多，含水量高至一定程度后分辨力迅速下降。采用這種方法要注意調(diào) 節(jié)物料在空間的適當(dāng)位罨，以獲得最佳靈敏度。 ( 2 ) 傳輸線法 傳輸線的形式很多，分為波導(dǎo)式、同軸式、帶狀線式和微帶式等，凡是用傳輸線來做 傳感器的測量方法都叫傳輸線法嗍。一般來說，傳輸線法適合用于接觸式測量，而空間波 法則多用于非接觸式測量。傳輸線法測量時(shí)將被測物料放最在傳輸線中，而不是擱置在空 間中，由于傳輸線內(nèi)的電磁場是規(guī)則的，例如在矩形波導(dǎo)管中，寬邊中央電場最大，在此 處開槽插入被測物料，分辨率高。 ( 3 ) 諧振腔法 諧振腔法測量的基本原理是利用介質(zhì)微擾理論。在諧振腔內(nèi)的電場集中處放入一線性 度較小的待測物料，則腔的諧振頻率石和品質(zhì)因數(shù)q 值將隨樣品的介電特性而發(fā)生變化， 通過測量諧振腔的頻偏或9 值，可以求得腔體內(nèi)物料的含水量2 5 加。要根據(jù)待測樣品的物態(tài) 選取一個(gè)合適的工作模式，設(shè)計(jì)腔體尺寸，確定開槽或開孔的位置。同樣，諧振腔法也適 合于接觸式測量，而不宜在線測量。 2 2 微波檢測電路 目前水分測量中多用透射法，通過計(jì)量透過物料后微波能量的衰減達(dá)到測量目的。所 用微波波段為s 波段( 1 2 g h 曉) 或x 波段( 9 1 0 g h z ) 。s 波段微波穿透性強(qiáng)，較適合 大尺寸物料。x 波段微波穿透率較弱，但對物料成分不敏感，用得最為廣泛【4 】。 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 微波透射法測量原理如下：它是基于水分子在微波場中的極化損耗而使微波電場強(qiáng)度 按與物料的介電常數(shù)相關(guān)的冪級數(shù)規(guī)律衰減原理，來檢測系統(tǒng)發(fā)射出去的能量的變化，再 得出物料內(nèi)部的水分。微波在介質(zhì)中傳播應(yīng)符合下式： 最= 只e 一“ ( 2 1 ) 式中：如一衰減后的微波功率( m w ) ； p l 輸入微波功率( m w ) ； 毋一衰減常數(shù)； 卜歆測介質(zhì)的厚度( i 啪) 。 當(dāng)介質(zhì)是一定厚度的物料時(shí)，微波通過介質(zhì)后，其功率隨衰減常數(shù)做指數(shù)衰減，衰 減量 川嘶阱川n 嘉卜 眨2 ， 若能對微波衰減量精確測量，經(jīng)過定標(biāo)和線性化處理后，完全可以滿足在線指導(dǎo)生產(chǎn) 的實(shí)際需要1 2 8 捌。 其微波檢測電路的系統(tǒng)原理圖如圖2 2 所示【3 0 】。 測 卜 p 匝h 硼 樣 曠 品 搏l 竹 # i 刪制l ”。 觥煳 b 微波檢波器卜_ 一信號處理系統(tǒng) 圖2 2 微波檢測電路 f i 昏2 2 n 屺i l l i 蹦黼d e t e 嘶o n u l l i l 2 3 系統(tǒng)各部分組成及其作用 微波測試系統(tǒng)中需要一些必要的微波器件，本節(jié)介紹各種微波器件的功能和作用。 一9 微波水分儀的設(shè)計(jì) ( 1 ) 微波信號源 微波信號源是微波振蕩發(fā)射裝置。微波振蕩器件可以分為微波電真空器件、微波半導(dǎo) 體器件和微波激射器件三大類。其中微波半導(dǎo)體器件具有體積小、重量輕、工作電壓低、 壽命長、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在微波測濕中就普遍采用這種振蕩信號源。 圖2 3 是它的基本結(jié)構(gòu)框圖。從圖中可以看出，整個(gè)微波信號源是用一個(gè)適當(dāng)偏置 的半導(dǎo)體器件去激勵(lì)諧振電路( 波導(dǎo)諧振腔) ，來產(chǎn)生微波振蕩的。在諧振腔的相應(yīng) 部位開孔或者做各種工藝使得整個(gè)諧振能夠完成，產(chǎn)生微波進(jìn)而發(fā)射出去。 體效應(yīng)二極管：微波振蕩器件： 波導(dǎo)：微波傳輸?shù)耐ǖ溃捎脴?biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)； 金屬調(diào)諧桿( 螺旋測微器) ：調(diào)節(jié)微波頻率： 圓 螺釘：連接并固定體效應(yīng)管的一極( 負(fù)) ； 穿心電容：同定體效應(yīng)管的另一極( 正) ，并 引入偏置電壓。 圖2 3 體效應(yīng)管振蕩器 f 嘻2 3 b o d y e 腩c tn j b e0 s c 1 l a 研 體效應(yīng)二極管，是2 0 世紀(jì)6 0 年代出現(xiàn)的微波振蕩器件，它功率小，且適于工作在厘 米波段( 此時(shí)水的損耗最大) ，因此，將它廣泛應(yīng)用于無損微波測濕。體效應(yīng)管之所以能 產(chǎn)生微波振蕩是由于它的負(fù)阻效應(yīng)。1 9 6 3 年，耿氏在實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)在一塊n 型砷化 鎵樣品的兩端加上直流電壓時(shí)，通過樣品的電流呈現(xiàn)出特殊規(guī)律。在電壓比較低時(shí)，隨著 電壓的增加，流過樣品的電流也增加，當(dāng)電壓超過某一臨界值時(shí)( 稱為閾值電壓) ，電 流增加到最大值( ) ；超過此閾值后，隨著電壓的增加，電流反而減小，當(dāng)電壓繼續(xù)增 大( 眇魄) 時(shí)，電流趨于飽和。這一過程如圖2 4 所示，這就說明了當(dāng)外加電壓超過閾 值電壓時(shí)，樣品呈現(xiàn)負(fù)阻特性。 當(dāng)微波振蕩源偏鷺電壓為l o 1 5 v 直流電壓時(shí)就能產(chǎn)生振蕩，工作電流為 3 2 肛5 0 0 l l 認(rèn)。在實(shí)驗(yàn)中，一般使用1 2 v 直流供電，振蕩源的工作電流為4 0 0 m a 左右。不 的體效應(yīng)管輸出的微波頻率略有變化，在微波測濕中選用功率為7 0 m w ，頻率為1 0 g h z 的 沈陽t 業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 體效應(yīng)管，因該波段微波對物料成分不敏感而廣泛應(yīng)用。諧振電路選用b j 1 0 0 標(biāo)準(zhǔn)矩形波 導(dǎo)，其傳輸?shù)闹行念l率為l o g h z 。 圖2 4 體效應(yīng)管電壓一電流特性 f 培2 4b o d y e 仃鰍t u b ev _ i c h 舶詘甜s t j c 為了抑止噪聲影響，有效地取出所含信息，對微波振蕩源供電時(shí)，給直流電源加了一 個(gè)l k h z 的調(diào)制方波，這樣，在處理檢波二極管輸出時(shí)，只要電路中加一個(gè)帶通濾波電路 就能有效地抑止噪聲。 ( 2 ) 隔離器 隔離器實(shí)際上是一種具有方向性的衰減器( 非互易衰減器) ，當(dāng)微波信號按正向傳輸 時(shí)幾乎沒有衰減，而沿反向傳輸時(shí)，就受到很大的衰減。隔離器主要用于微波振蕩器與負(fù) 載之間作去耦元件，隔離掉由于負(fù)載不匹配而產(chǎn)生的反射波，保證微波信號源輸出頻率與 功率的穩(wěn)定性【3 1 3 3 】。隔離器按工作原理分，可分為諧振式和場移式兩種。諧振式隔離器用 于1 瓦以上的大功率傳輸系統(tǒng)。微波測濕為小功率傳輸，使用場移式隔離器。 場移式隔離器是利用鐵氧體在外加恒定磁場作用下所具有的非互易性而構(gòu)成的一種微 波元件。在矩形波導(dǎo)中的圓極化波位置，受合適的橫向磁化強(qiáng)度的鐵氧體，會使原有矩形 波導(dǎo)中的場結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，即產(chǎn)生場移效應(yīng)。這必須具備三個(gè)條件：鐵氧體片必須放在 圓極化波位置；鐵氧體必須橫向磁化，即恒定磁場方向?yàn)槟阜较颍缓愣ù艌鰄 0 要較 小，這可保證礦 o ，使負(fù)圓極化波靠近鐵 氧體片。如果將電阻片緊貼在鐵氧體片上，則電阻片將強(qiáng)烈吸收負(fù)圓極化波，即反向傳輸 的電磁波，而對正向傳輸?shù)恼龍A極化波，因遠(yuǎn)離電阻片，故幾乎可以無損耗地通過。 微波水分儀的設(shè)計(jì) 圖2 5 場移式隔離器 f 培2 51 1 1 em w en e l di s o l 砷。r 圖2 5 為場移式隔離器的原理圖。對隔離器的要求是正向衰減要小，通常要求小于 o 5 d b ：反向衰減要大，通常要求大于2 0 d b ；隔離比要大，即反向衰減與正向衰減之比愈 大愈好；駐波比愈小愈好；工作頻帶要寬，一般相對帶寬可達(dá)1 0 左右。 ( 3 ) 可變衰減器 在某種意義上，衰減器相當(dāng)于低頻電阻器件，用來調(diào)節(jié)傳輸系統(tǒng)中功率電平的大小。 在波導(dǎo)中放上涂有微波吸收材料的衰減片，便可構(gòu)成波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)的吸收式衰減器，微波測 濕中使用這種衰減器較多【嘲。其最大衰減量通常不超過3 叫o d b ，吸收片可用玻璃、陶瓷 或其他介質(zhì)材料作襯底，上面涂敷石墨粉或蒸鍍一薄層鎳鉻合金，最外層涂上一層氧化硅 或氟化鎂的保護(hù)層，使性能穩(wěn)定可靠，一般在衰減器標(biāo)出移動(dòng)距離刻度，微波測濕實(shí)驗(yàn)中 采用精密衰減器，標(biāo)有測微螺旋刻度，以滿足測量精度要求。 ( 4 ) 喇叭天線 為了使發(fā)射的微波具有很強(qiáng)的方向性，起天線作用的微波傳感器要具有特殊結(jié)構(gòu)。常 用的是喇叭形天線，結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，它可以看作是波導(dǎo)管的延續(xù)，并在波導(dǎo)管與敞 開的空間之間起匹配作用，以獲得最大能量輸出。喇叭形天線與波導(dǎo)管直接相連，使用時(shí) 應(yīng)注意邊緣效應(yīng)對測量的影響。 ( 5 ) 檢波器 檢波器是用來檢測微弱微波信號相對功率的指示器，其主要作用是交流變直流和功率 匹配。它由檢波晶體管和檢波接頭組成。檢波晶體管大都屬于點(diǎn)接觸式的硅或鍺晶體管 沈r l 工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 如肖特基二極管) ，在微波測濕中作為低電平檢波器，主要的參數(shù)為檢波律、動(dòng)態(tài)阻抗 和靈敏度【l6 】。 檢波律是指當(dāng)信號電壓足夠小( 一般不超過1 0 u w ) 時(shí)，大都滿足平方檢波律，即檢 波電流與信號電壓的平方成比例。檢波律也受它所接的負(fù)載電阻的影響，一般當(dāng)負(fù)載阻抗 在2 0 0 帖3 0 0 0 q 附近時(shí)，晶體管的檢波律偏離平方律最小。動(dòng)態(tài)內(nèi)阻是把晶體管看作一個(gè) 等效直流時(shí)的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻。在低電平時(shí)，其接近于一個(gè)常數(shù)，約為幾千歐；高電平時(shí)，隨功 率的增大而下降甚速。靈敏度定義為晶體管輸出端短路時(shí)檢波電流與所吸收功率之比，或 為輸出端開路時(shí)的輸出檢波電壓與微波功率之比。靈敏度的高低一般隨著頻率的增高而降 低，一般晶體管在適用的頻率范圍內(nèi)的電流靈敏度約為1 洲u w ，電壓靈敏度約在 1 m v ，u w 數(shù)量級。 如果輸入信號很小，輸出信號也很弱，通常環(huán)境存在的電磁波干擾電平以及放大器本 身的噪音電平都已經(jīng)超過了這樣微弱的電平信號，為了能從這些干擾信號中識別出有效的 測量信號，并只放大這種信號，最簡單的方法就是讓微波信號源輸出一種具有方波調(diào)制的 微波信號，這樣得到的測量信號是已經(jīng)調(diào)制的信號，而干擾信號卻不含有調(diào)制信息，只要 在放大器中加入選頻電路，就能只讓加了調(diào)制的有用信號通過并對之放大，從而識別有用 的測量信號。 適用于三厘米波段的是一種調(diào)諧式波導(dǎo)檢波接頭，檢波晶體管橫向地插入波導(dǎo)中，好 象一根探針。在晶體管前面設(shè)有一個(gè)雙螺釘調(diào)配器，同時(shí)在晶體管后面放了一個(gè)可調(diào)的抗 流式短路活塞，以便在波導(dǎo)的整個(gè)工作頻段內(nèi)調(diào)到最小的駐波比，得到最高的靈敏度，在 調(diào)配螺釘及同軸輸出插口的基座上均有防止高頻泄露的抗流裝置。 另外，微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不管是無源電路還是有源電路，都必須考慮阻抗匹配的 問題，不匹配會引起嚴(yán)重的反射，無法進(jìn)行正常測量。首先，需要確認(rèn)微波信號源是 否正常工作，這是最主要的。在跟接收天線連接的功率指示計(jì)有示數(shù)就說明振蕩器已 正常工作，接上隔離器、衰減器之后再檢測，仍然能夠得到能量指示，調(diào)節(jié)振蕩器腔 體底部小孔前的螺桿，能夠得到最強(qiáng)耦合，這時(shí)就表示微波發(fā)射部分已經(jīng)匹配。 微波水分儀的設(shè)計(jì) 3 微波元件仿真 隨著單片集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，電路的設(shè)計(jì)與工藝研制日益復(fù)雜化，如何進(jìn)一步 提高電路性能、減小電路尺寸、降低成本、縮短電路的研制周期，已經(jīng)成為電路設(shè)計(jì)的一 個(gè)焦點(diǎn)，而e d a 技術(shù)則是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。e d a ( e 1 e c 仃o t l i cd e s i 口a u t o m a t i c ) 即電子設(shè)計(jì)自 動(dòng)化，是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺，融合電子技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果研制成的電子c a d 通用軟件包，主要輔助進(jìn)行三方面的工作：i c 設(shè)計(jì)，電子電路設(shè)計(jì)及p c b 設(shè)計(jì)剮。同 樣，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已不能滿足微波電路設(shè)計(jì)的需要，使用微波e d a 軟件工具進(jìn)行微波 元器件與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種必然趨勢。 本章對微波仿真技術(shù)進(jìn)行了介紹，研究比較了各種微波仿真軟件的特點(diǎn)，采用a i l s o f i 公司的h f s s 三維電磁仿真軟件對微波元件( 衰減器、喇叭天線) 進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，并達(dá) 到一定的指標(biāo)。 3 1 微波仿真技術(shù)簡介 微波電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( c a d ) 技術(shù)作為e d a 技術(shù)的一個(gè)分支，用于射頻及微波 電路的計(jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，自2 0 世紀(jì)7 0 年代以來，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。很多通 用和專用的微波電路c a d 軟件產(chǎn)品，包括電原理圖輸入和微波電路的圖形輸入、電路的 仿真和優(yōu)化、容差分析、版圖生成及輸出、與測試儀器接口等功能，并有許多的電路模型 庫、元件庫、半導(dǎo)體器件的線性模型庫和非線性模型庫等可供選擇。微波電路c a d 可以 實(shí)現(xiàn)包括線性微波電路的s 參數(shù)計(jì)算、直流分析、線性非線性噪聲分析、非線性電路的瞬 態(tài)分析、非線性電路的諧波分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、容差分析、2 5 d 及3 d 電磁場仿真、布線和 版圖設(shè)計(jì)等，甚至還可以包括微波器件的建模和參數(shù)提取以及計(jì)算機(jī)輔助測試。 目前，常用的微波電路c a d 工具首推a 百l e m 公司的a d s 軟件和a r l s o n 公司的 d e s i 鯛e r 、h f s s 軟件，其次是比較小型的c s t 、m i c r o 聃，a v eo 銜c e 、a i l s l ms e r e n a d e 等電 路設(shè)計(jì)軟件。這些仿真軟件與電磁場的數(shù)值解法密切相關(guān)，不同的仿真軟件是根據(jù)不同的 數(shù)值分析方法來進(jìn)行仿真的p 5 1 。 ( 1 )基于矩量法仿真的微波e d a 仿真軟件 基于矩量法仿真的e d a 軟件主要包括a d s ，a n s o f id e s i 印e r ， m i c r o w a v eo m c e ， 沈陽t 業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 s o n n e t ，z e l a n d 的正3 d 等。 a d s _ a d v a r l c e dd l e s i 印s y s t e m ，是a g i l e m 公司推出的微波電路c a d 綜合軟件包，是 國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的軟件之一。a d s 軟件功能非常強(qiáng)大，可開發(fā)各種形式的射 頻設(shè)計(jì)，涵蓋了小至元器件，大到系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)和分析，尤其是其強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)手段可 在時(shí)域或頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對數(shù)字或模擬、線性或非線性電路、噪聲等做綜合仿真分析與優(yōu)化， 并可對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率，是非常優(yōu)秀 的微波電路、系統(tǒng)信號鏈路的設(shè)計(jì)工具。 a i l s o f id e s i 印腳是加l s o f 【公司推出的微波電路仿真軟件，它采用最新的視窗技術(shù)，是 第一個(gè)將高頻電路系統(tǒng)、版圖和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個(gè)環(huán)境的設(shè)計(jì)工具，其 關(guān)鍵是獨(dú)有的“按需求解”技術(shù)，使能夠根據(jù)需要選擇求解器，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)過程的完 全控制。它可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化版圖功能，版圖與原理圖自動(dòng)同步，大大提高版圖設(shè)計(jì)效率。同 時(shí)，能方便地與其他設(shè)計(jì)軟件集成到一起，并可和測試儀器連接，完成各種設(shè)計(jì)任務(wù)。 m i c r o w a v eo 街c e ，是a w r 公司推出的高頻電磁仿真軟件，是通過兩個(gè)模擬器來對微 波平面電路進(jìn)行模擬和仿真的，為微波平面電路設(shè)計(jì)提供了完整，快速和精確的解答。 ( 2 ) 基于有限元的微波e d a 仿真軟件 使用有限元法的微波e d a 軟件有h f s s 和a n s y s 。 典型仿真軟件是a n s o f ih f s s ，它是a n s m 公司推出的世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié) 構(gòu)電磁場仿真軟件，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計(jì)和分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。h f s s 提 供簡潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大 后處理器，可分析仿真任意三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場，可計(jì)算分析基本電磁場數(shù)值解和 開邊界問題，近