章國慶++蔣開明
摘 要 本文介紹了帶隔板T形波導的數(shù)值計算方法和平面電路方法,在此基礎上利用HFSS仿真軟件建模分析,得出10GHz下使回波損耗最小的“最佳隔板”,并研究了不同功率分配比下最佳隔板的位置,該結論可為功率分配器的設計提供一定的依據(jù)。
關鍵詞 T形波導;隔板;HFSS仿真;功分比
中圖分類號:TN73 文獻標識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)19-0067-02
T形波導常用于功率分配或合成中,經(jīng)典的T形波導輸入端駐波比較大,功分比不易控制,故實際應用中長采用加載電抗元件的方法來匹配輸入端阻抗,并實現(xiàn)準確的功分比特性[1]。相比于常見的三角形和圓柱棒加載,隔板加載性能更加優(yōu)越。本文利用HFSS研究了10GHz下的最佳隔板,并利用HFSS的優(yōu)化功能得出了一些常用功分比下隔板的精確位置。
1 帶隔板T形波導常用數(shù)值分析方法
1.1 FDTD方法
該方法采用模塊法和PML激勵源,將T形波導分成5個子計算域,利用離散Fourier 變換,從時域電磁場波形提取了寬帶散射參數(shù),得出了與平面電路法相似的結論[2]。
1.2 平面電路法
該方法采用短路邊界平面電路法對二維積分形式的波動方程進行數(shù)值求解,可求得各離散點的電壓和電流值。依據(jù)該理論,對加載隔板H-T接頭模型進行數(shù)值計算并給出等效電路模型,采用最小二乘法給出參數(shù)計算公式[1]。其等效電路模型如圖2所示,其結果與HFSS仿真結果相似。
圖1 帶隔板T形波導模型
圖2 帶隔板T形波導等效電路
2 最佳隔板
在無隔板情況下,直接將T形波導用于功分器,會產(chǎn)生很大的回波損耗,端口反射強烈且效率低。加載隔板的T形波導在一定程度上有效地解決了上述的問題。
不同的隔板厚度和長度會影響T形波導的性能,在10GHz的特定條件下,通過HFSS的優(yōu)化功能分別找出了隔板最佳長度和厚度。由圖3可見,隨著隔板長度的不斷增大,回波損耗逐漸減小,在0.4英寸處達到最小值。故在此條件下繼續(xù)研究隔板厚度與回波損耗的關系曲線。由于仿真時隔板厚度的初始值設定為0.01英寸,所以根據(jù)圖4可以認為隔板的厚度越薄越好。因此在一般實際應用中都采用薄片作為隔板。在極限情況時變?yōu)闊o隔板,此時回波損耗又將變大。
圖3 10GHz下隔板長度與輸入端口回波損耗的關系
圖4 10GHz下隔板厚度與輸入端口回波損耗的關系
綜上所述,在T形波導作3dB功分器時,存在最佳隔板,使得其性能最優(yōu)。
3 不同功分比的實現(xiàn)
一般情況下,T形波導用作3dB功分器,但在特殊情況下,仍需要實現(xiàn)各種不同比例的功率分配。利用前文提及的最佳隔板,改變隔板位置時,可以實現(xiàn)不同的功分比,且輸入端也可以做到較好的匹配。這是因為隔板的引入,改善了波導不連續(xù)性的高階模耦合特性,從而改善了輸入端口的駐波特性[1]。利用HFSS的優(yōu)化功能,設定優(yōu)化變量Offset后得到隔板位置與三端口輸出功率的關系,如圖5所示。
為節(jié)省優(yōu)化時間,根據(jù)圖5可初步判定不同功率比下隔板所處的范圍。設定目標函數(shù)后仿真得到端口2和端口3達到不同功率比時,隔板的位置以及該處的回波損耗,如表1所示。
表1 隔板位置、功率比、端口1回波損耗間的關系
從表1可以看到,若2和3端口功率比較小時,輸出端回波損耗很小,可以做到較好的匹配。調節(jié)隔板的位置既能實現(xiàn)不同的功分比,也可以做到較好的輸入端匹配,但這種輸入端的匹配和功分比的實現(xiàn)是犧牲了2和3端口的駐波來實現(xiàn)的。綜上可知隔板在一定范圍內是一個很好的匹配和調節(jié)功分比的元件。
圖5 隔板位置變化與端口輸出功率的關系
4 小結
加載隔板T形波導常用于功分器設計,但隔板對其性能有很大影響。本文利用HFSS仿真軟件找到了10GHz下的最佳隔板,在此基礎上得出了隔板位置與三端口功率輸出的關系曲線,并具體優(yōu)化了4個常用功分比下的隔板精確位置,能夠為功分器的設計提供一定的依據(jù)。
基金項目
上海海事大學科研基金項目(20120095)。
上海海事大學研究生創(chuàng)新基金項目(2014ycx009)。
參考文獻
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