一種基于HFSS仿真C頻段波導(dǎo)魔T設(shè)計(jì)

韓來(lái)輝 潘 進(jìn)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第27研究所 鄭州 450047)

一種基于HFSS仿真C頻段波導(dǎo)魔T設(shè)計(jì)

韓來(lái)輝 潘 進(jìn)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第27研究所 鄭州 450047)

本文簡(jiǎn)單闡述了波導(dǎo)魔T原理及調(diào)配方式，通過(guò)三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)C頻段魔T進(jìn)行建模并對(duì)該模型的傳輸損耗、回波損耗、端口隔離進(jìn)行了仿真。采用簡(jiǎn)單可行結(jié)構(gòu)形式，具有低傳輸損耗、高回波損耗 、優(yōu)良相位一致性、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。該魔T已經(jīng)在某工程大功率發(fā)射機(jī)應(yīng)用，達(dá)到了理想的效果。

HFSS；C頻段；魔T

Abstract: Principle of waveguide magic T and its testing and assembling is introduced. C-band magic T is modeled and its transmission loss, echo loss, and port isolation are simulated by using 3-dimenisonal electro-magnetic simulation software HFSS. C-band waveguide magic T is featured advantageous like low transmission loss, high echo loss, perfect phase consistency, compact structure, and so on by using simple and feasible structure. The magic T has been applied in high power transmitter of a project to achieve ideal effect.

Keywords：HFSS；C-band；Magic T

0 前言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，固態(tài)發(fā)射機(jī)因其體積小、效率高、可靠性高等優(yōu)勢(shì)逐漸取代原有真空管發(fā)射機(jī)，同時(shí)對(duì)發(fā)射機(jī)輸出功率提出更高的要求，但因固態(tài)放大器單只管子輸出功率的限制，無(wú)法達(dá)到滿足使用要求，因此功率合成成為固態(tài)發(fā)射機(jī)一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。因此對(duì)于工程應(yīng)用中設(shè)計(jì)一種低傳輸損耗和回波損耗、相位一致性高、端口隔離度高合成器成為功率合成的重中之重。

目前，功率合成技術(shù)多采用二進(jìn)制合成和多路徑向合成。二者在功率合成工程應(yīng)用中有著各自的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)工程應(yīng)用的需求靈活應(yīng)用。多路徑向合成器具有傳輸損耗低，回波損耗和端口隔離差。四端口二進(jìn)制合成器因其具有隔離端具有低傳輸損耗和回波損耗、端口隔離、功率容量高的優(yōu)點(diǎn)。

波導(dǎo)魔T[1]作為微波、毫米波電路中的重要合成/分路器件，因其具有功率容量高、端口匹配好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，成為微波、毫米波系統(tǒng)合成、分路的重要器件[2，3]。本文根據(jù)研制工程需求采用二進(jìn)制合成方法，簡(jiǎn)單介紹了魔T的原理，通過(guò)三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)C頻段波導(dǎo)魔T進(jìn)行了仿真，并基于仿真結(jié)果進(jìn)行機(jī)械加工和裝配、測(cè)試，取得了良好的效果。

1 研制需求

依據(jù)C頻段固態(tài)連續(xù)波發(fā)射機(jī)研制需求，對(duì)波導(dǎo)合成器提出技術(shù)指標(biāo)要求如下：

a)工作頻帶：C頻段

b)傳輸損耗：≤0.15dB；

DN是2型糖尿病最常見(jiàn)的并發(fā)癥之一，是一種慢性進(jìn)行性微血管病，也是導(dǎo)致糖尿病患者死亡主要原因之一[2]，目前臨床上常用肌酐、尿素氮和尿蛋白定量作為預(yù)測(cè)DN進(jìn)展的指標(biāo)，但其檢測(cè)方法靈敏度有限、檢測(cè)過(guò)程繁瑣耗時(shí)，存有一定局限性，對(duì)患者的腎臟損傷很難作出早期判斷，因此臨床上對(duì)于DN的早期診斷，找到即簡(jiǎn)便又快速的臨床評(píng)價(jià)指標(biāo)變得尤其重要。

c)端口回波損耗：≤-20dB；

d)端口隔離：≥20dB；

e)功率容量：≥1.5kW(CW)；

f)輸入端口相位一致性：≤±5°。

2 波導(dǎo)魔T原理

波導(dǎo)魔T又稱為匹配雙T，是將E-T和H-T構(gòu)成雙T接頭的基礎(chǔ)上通過(guò)內(nèi)部加載調(diào)配結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的匹配可逆無(wú)耗四端口元件。理想匹配魔T，當(dāng)TE10波自波導(dǎo)魔T的E臂輸入時(shí)，H臂連接匹配負(fù)載，主臂端口“1”和“2”臂輸出等幅反向兩路信號(hào)，而H臂信號(hào)無(wú)輸出，且反射信號(hào)。當(dāng)TE10自波導(dǎo)魔T的H臂輸入時(shí)，E臂連接匹配負(fù)載，主臂端口“1”和“2”臂輸出等幅同向兩路信號(hào)，而E臂信號(hào)無(wú)輸出，且反射信號(hào)[4]。根據(jù)雙T接頭滿足對(duì)稱性和互易性以及H臂、E臂為隔離端口，因此魔T的參數(shù)矩陣可寫成：

(1)

魔T為無(wú)耗元件，滿足散射參量的一元性定理可得：

STS=E

(2)

根據(jù)矩陣乘法規(guī)則有：

|S11|2+|S12|2+|S13|2+|S14|2=1

|S22|2+|S12|2+|S13|2+|S14|2=1

(3)

將(2)帶入(3)得：

|S11|2+|S22|2=0

(4)

適當(dāng)?shù)剡x擇魔T 各端口參考面的位置，可以使S13 和S14為：

則匹配魔T的散射參數(shù)矩陣為：

綜上，匹配魔T作為合成器時(shí)具有如下特性：

a)信號(hào)同時(shí)從“1”，“2”等幅同向輸入時(shí)，E臂作為隔離端無(wú)信號(hào)輸出，H臂信號(hào)合成輸出，幅度為“1+2”。

b)信號(hào)同時(shí)從“1”，“2”等幅反向輸入時(shí)，H臂作為隔離端無(wú)信號(hào)輸出，E臂信號(hào)合成輸出，幅度為“1+2”；

匹配魔T作為分路器時(shí)具有如下特性：

a)信號(hào)自E臂輸入，兩個(gè)主臂“1”，“2”等幅反向輸出，幅度為輸入信號(hào)的1/2，H臂為隔離端口，H臂為隔離端無(wú)信號(hào)輸出；

b)信號(hào)自H臂輸入，兩個(gè)主臂“1”，“2”等幅同向輸出，幅度為輸入信號(hào)的1/2，E臂為隔離端口，H臂為隔離端無(wú)信號(hào)輸出。

3 波導(dǎo)魔T電磁仿真設(shè)計(jì)

本文依據(jù)C頻段連續(xù)波大功率發(fā)射機(jī)研制需求，研究了波導(dǎo)魔T的工作原理，采用了在波導(dǎo)魔T內(nèi)部加載錐體匹配方法，通過(guò)三維電磁仿真軟件HFSS優(yōu)化仿真，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)魔T全端口匹配目的，突破了波導(dǎo)魔T難于加工及精度控制的難題。具有端口匹配好、功率容量大、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。

C波段波導(dǎo)魔T，利用三維電磁仿真軟件HFSS建模[5]，采用標(biāo)準(zhǔn)BJ48波導(dǎo)，波導(dǎo)寬邊a=47.55mm，窄邊b=22.15mm ，在E臂底部加載半徑為r1的底壁處被削去與矩形波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)幾何形狀吻合錐體加半徑為r2的圓柱，通過(guò)對(duì)錐體位置、高度、半徑實(shí)現(xiàn)對(duì)H臂、E臂的調(diào)配，圓柱對(duì)H臂調(diào)配，通過(guò)HFSS參數(shù)目標(biāo)優(yōu)化最終實(shí)現(xiàn)了四端口的良好匹配。

圖1 C頻段波導(dǎo)合成器(魔T)仿真模型

波導(dǎo)魔T傳輸損耗、相位、端口隔離及各個(gè)端口回波損耗仿真結(jié)果如圖2、3所示，在工作頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了端口匹配以及隔離，其中傳輸損耗小于0.1dB，端口隔離度大于25dB，回波損耗小于-20dB。依據(jù)仿真各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)結(jié)果可以作為性能良好的大功率合成器使用。

圖2 C頻段魔T端口傳輸損耗和相位仿真結(jié)果

圖3 C頻段波導(dǎo)魔T端口隔離及回波損耗仿真結(jié)果

5 波導(dǎo)魔T結(jié)構(gòu)形式和測(cè)試結(jié)果

根據(jù)C頻段波導(dǎo)魔T建模及仿真結(jié)果，對(duì)模型加工分為三個(gè)部分進(jìn)行加工，分為：底部、頂部、錐體三個(gè)部分見(jiàn)圖1，通過(guò)簡(jiǎn)單機(jī)械裝配的方法，采用合理控制加工誤差的方法，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)魔T整體的技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)要求，整體裝配圖見(jiàn)圖4。

通過(guò)M6的螺釘魔T結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了裝配，裝配的實(shí)物見(jiàn)上圖4。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)波導(dǎo)魔T各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下圖5、6。

從圖6、7實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，波導(dǎo)魔T在通帶傳輸損耗小于0.1dB，端口回波損耗小于-20dB，端口隔離大于22dB，輸入端口相位一致性小于2°，功率容量在C頻段連續(xù)波發(fā)射機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證滿足大于1.5kW連續(xù)波功率容量的使用要求。

圖4 C頻段波導(dǎo)魔T結(jié)構(gòu)件實(shí)物圖

圖5 端口2、3傳輸損耗及相位

圖6 端口1、4回波損耗及端口1與4、2、3隔離

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)三維電磁仿真軟件HFSS 對(duì)C頻段波導(dǎo)魔T建模并進(jìn)行了優(yōu)化仿真，得到了滿足加工要求的尺寸，采用了合理可行的結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行了加工、裝配、測(cè)試，在設(shè)計(jì)的工作頻段內(nèi)，獲得了優(yōu)良的傳輸、回波損耗、端口隔離度以及相位一致性，成功應(yīng)用在C頻段固態(tài)連續(xù)波發(fā)射機(jī)功率合成，取得了理想的效果，對(duì)其他頻段波導(dǎo)合成器魔T的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 韓來(lái)輝，姚愛(ài)田，余海.二進(jìn)制寬帶毫米波合成器設(shè)計(jì)與分析[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2016，45(2)：67-72.

[2] 杜侖銘，徐可榮。 寬帶波導(dǎo)魔T 的設(shè)計(jì)[J]. 船舶電子對(duì)抗，2006，29(3)：52-54.

[3] 黃繡江，郭泉等. 超寬帶雙脊魔T的研制[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22(2)：177-180.

[4] 顧繼慧.微波技術(shù) [M] 2005.3

[5] 謝擁軍，王鵬，李磊等.Ansoft HFSS基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

DesignofaHFSS-based-simulationC-bandWaveguideMagicT

Han Laihui， Pan Jin

(No.27 Research Institute of CETC，Zhengzhou 450047)

TN957

A

1008-8652(2017)02-062-03

2017-03-13

韓來(lái)輝(1979-)，男， 高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楦吖β饰⒉夹g(shù)。