第27卷 第6期桂林电子科技大学学报Vo l.27,N o.6 2007年12月Journal of G uilin University of Electronic Technology Dec.2007 波导空间功率分配/合成器的分析与仿真设计
朱祖武,曹卫平,李哲
(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004)
摘 要:提出了一种新型毫米波波导内空间功率分配/合成器结构,并通过CST软件分析了该结构中的物理参数对
结构性能的影响,最后仿真设计了一最优化的K a波段空间功率分配/合成器,结果表明在设计频带范围内,分配/
合成器具有较小的插入损耗和回波损耗,可以应用于毫米波空间功率合成放大器的设计中。
关键词:空间功率分配/合成器;波导-微带过渡;双对鳍线
中图分类号:T N63 文献标识码:C 文章编号:1673-808X(2007)06-0465-03
Analysis and simulation design of a
waveguide-based spatial power divider/combiner
ZH U Zu-w u,CA O W ei-p ing,L I z he
(Schoo l of Info rmatio n and com municat i o n Engineering,Guilin Universi t y of Electronic T echnolo gy,Guili n541004,China)
Abstract:Intro duced a nov el K a-band w aveg uide-based spatial pow er div ider/co mbiner str uctur e,analy zed some
facto rs w hich affect the per for mance of the div ider/co mbiner using CST to ols,and simulat ed design a w av eguide-
based spatial pow er div ider/co mbiner w o rked in Ka band.T he result sho w s t ha t the divider/co mbiner w ith a lo w
inser tio n loss and R eturn L oss in the design band,it could be used in the design o f millimeter wav e spa tial pow er
combining amplifier.
Key words:spat ial po w er divider/co mbiner;wav eguide-t o-m icro st rip tr ansition;antipo dal finline
随着军用和民用通信的发展,对宽带,大功率的放大器需求与日俱增。在毫米波通信雷达系统中,由于工艺的限制,单个功率源提供的功率完全不能满足通信系统的需求,为此,提出了一种空间功率合成的方案,将功率在空间中分配成多路分别进行放大然后再合成输出。空间功率合成技术中发展较快的是基于波导的空间功率合成技术,该技术采用托盘技术,实现多路功率的分配与放大,可以大大地提高波导的功率输出,同时也具有良好的散热特性和比较高的合成效率,使用广泛。波导内空间功率合成放大器设计中一个关键技术就是无源空间功率分配/合成器的设计。功率分配/合成器的性能好坏决定了整个功率放大器设计的成败,设计过程中一般要求分配合成网络在完成功率分配合成功能的同时,也具有比较低插入损耗和回波损耗,同时在设计范围内没有谐振现象产生。根据以上要求,本文将设计一Ka波段的功率分配/合成器,对电路结构和物理尺寸参数对电路的性能影响都将作分析介绍。
1 结构与原理
波导内空间功率合成放大器设计方案:对波导宽边进行多层剖分,将标准波导切分成相同的多层托盘结构,在托盘上实现功率的分配,放大合成。同时采用过渡结构实现波导模式与微带线模式之间的转换[1]。为了毫米波频段的大功率输出,必须实现更多路数的功率分配合成。波导内功率分配合成放大器主要通过两种方法来实现更多路数的分配合成:增加波导内托盘的数目和增加单个托盘上的分配合成路数。考虑到Ka波段标准波导的物理尺寸,本文采用在单个托盘上实现两路功率分配合成的方法来实现多路功率分
收稿日期:2007-11-20
作者简介:朱祖武(1984-),男,江西高安人,硕士研究生,主要研究方向为微波射频电路和天线。
配合成。
传统的波导内空间功率分配/合成网络采用鳍线过渡[1-2]来实现波导和微带线之间的模式变换,该结构简单,但是其存在接地的问题,不易安装和调节。文献[3-4]中提出了一种新型的双对鳍线分配/合成结构,该结构很好的解决了接地的问题,本文主要分析和设计该电路结构,并做简单改进,整个电路结构如图1所示。整个结构中,可以分为三大部分:介质基片的阻抗变换器,波导和微带线之间的过渡器,两路功率分配/合成器。工作过程如下:信号从Ka 波段标准波导BJ320输入,通过一个介质阻抗变换器实现充满空气的波导阻抗到部分介质填充的波导区域(即鳍线过渡开始的区域)的阻抗变化,它可以使回波损耗降低2～3dB.介质基片的阻抗变换结构具有多样性[5]
,本文采用凸状结构。接着是双对鳍线过渡,将波导中的TE 模旋转90°变换成微带传输准T EM 模式,同时也将高阻抗变成微带的50 ,从而能很好的与MM IC 连接。结构中的双对鳍线渐变线采用余弦平方渐变的方式,该渐变线可以提供20～25dB 的回波损耗。两路微带线主要是用来连接M M IC ,一般的M M IC 的输入输出端口为50 ,所以两路微带线也都设计为50 .信号通过两路分别放大以后再合成并转换为波导的T E 模式,通
过波导输出。
图1 双对鳍线过渡结构图
本结构相对于文献[3]中的结构,进一步简化了电路结构,通过调节其它物理尺寸,减少了调节谐振的金属片,同样达到了抑制谐振的目的。
2 参数对电路的性能影响分析
设计该结构电路,为了满足回波损耗和插入损耗的设计要求,必须对以下几个参数进行优化: 对鳍线长度L ,L 越长,回波损耗越低,插入损耗越大,工程上一般选取1.1-1.5 ; 防止谐振块长度L 1,L 1
越大,谐振频率往低端移动; 介质过渡的长和宽w 1,w 2,尺寸一般为四分之一波长;!分配合成金属面距离边界距离d 1
.以上几个参数对电路性能都具有一定的影响,前三个参数对电路性能的影响在文献
[3]中已经作介绍,下面将对d 1的影响通过CST 仿真结果来分析得出。
由于波导为标准的BJ320波导,过渡结构的宽度已经确定,两路传输线为50 传输线,因此分配合成金属面距离边界距离d 1决定了两路传输线之间的距离,d 1越大,两路传输线距离越小,信号耦合越强,影响越大,同时,两传输线间距越小,不利于有源电路MM IC 的安装,此外,d 1的大小对系统的回波损耗也有影响。通过CST 仿真软件对其进行分析。先确定其它几个参数,然后固定这几个参数,调谐d 1,观察回波损耗的变化情况。选取:L =10m m,L 1=7mm,w 1=w 2=2.5mm ,d 1分别选取d 1=0.1mm ,0.2mm ,0.3mm ,其对应的的回波损耗如图2所示。
图2 调谐d 1回波损耗结果
从调谐d 1的结果可以看出,d 1对回波损耗的影响为:d 1越大,其高端的回波损耗越好,随着d 1的减小,低端的回波特性逐渐改善。综合考虑d 1对整个系统的设计需要,既要减小每路信号之间的干扰,又要
使系统在设计频带范围内具有比较小的回波损耗,因此在设计的时候,必须根据设计需要折中考虑。
3 合成/分配器的仿真设计
经过上述分析,我们对双对鳍线结构中各个物理参数对系统性能的影响有了了解,下面设计一Ka 波段的两路空间功率合成器。设计要求:工作频率:32～40GHz,回波损耗S 11<-10dB,插入损耗S 21>-1dB.
利用CST 仿真软件建模,将Ka 波段标准波导BJ320剖分成对称的上下两部分,集成两路分配合成结构的托盘结构放置于波导中间,托盘结构可参见图1.BJ320波导的物理尺寸为7.112×3.556m m 2
.对结构中的性能参数进行仿真优化,最后确定各个参数的数值:L =10.9m m,L 1=7.4mm,d 1=0.1mm,w 1
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桂林电子科技大学学报 2007年12月
=w 2=2.5mm .最后仿真得出的和结果如图3
所示。图3 S 11和S 21的仿真结果图
从结果可以看出,在31～40GHz 范围内,S 11<-10dB ,插入损耗S 21>-1dB ,带宽范围达到25%,并且这个电路的谐振频率在设计频带范围以外。另外,可以通过CST 软件观察整个模型中的场分布和功率流的情况,如图4所示。从图中可以看出该分配/合成器很好的实现了从T E 模-T EM 模-TE 模的转换,同时很好的实现了功率的分配/合成,两路信号之间的耦合也非常小,达到了空间功率合成器的设计
要求。
图4 空间功率合成器中的功率流和场分布情况
4 结束语
本文主要阐述了一种两路波导内空间功率分配合成网络的设计方法,设计出来的电路性能良好,但
是要满足大功率信号输出的目的,两路功率分配合成是远远不够的。因此,可以在该电路的基础上进行分配合成路数的扩展。按照前面提到的两种方法,可以采用以下方案进行路数扩展: 在标准波导物理尺寸允许的情况下,对波导多层剖分,实现更多托盘的堆积。 对波导尽心尺寸扩展,只要附加一定的模式抑制措施,就能够实现更多托盘的堆积。 采用T 型接头,将信号先通过两路功分,在分别在两个标准波导内进行功率分配合成,也可以实现多路功率输出。我们对以上提出的几种路数扩展放案将继续作进一步的研究。
分析设计的一种新型的双鳍线过渡结构,通过利用CST 仿真软件仿真设计了Ka 波段的两路空间功率合成器,经对结构中各个物理参数对过渡结构的性能的影响作分析研究,该过渡器在31～40GHz 范围内,S 11<-10dB ,插入损耗S 21>-1dB ,带宽范围达到25%,很好的实现了场的模式变化和功率分配,可以直接应用到工程空间功率合成放大器的设计中。
参考文献:
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责任编辑
梁王欢
英文编辑陆小明
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第6期 朱祖武等:波导空间功率分配/合成器的分析与仿真设计
功率分配器设计 功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器的主要技术参数有功率损耗（包括插入损耗、分配损耗和反射损耗）、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度、功率容量和频带宽度等。 功分器通常为能量的等值分配，通过阻抗变换线的级联与隔离电阻的搭配，具有很宽的频带特性。 一、滤波器的数学原理 理想功率分配器具有以下3个特点： ●端口1无反射 ●端口2.3输出电压U2和U3幅度和相位相等 ●端口2.3输出功率比值为任意给定值1/k2 根据上面条件，可以得到（11.1）式子： 由传输线理论中提到的四分之一波长传输线阻抗变换理论，可以得到功率分配器两端分支线的特性阻抗为输入端传输线特性阻抗与负载阻抗的几何平均值，它们由式子（11.2）表示：
假设R2=kZ0，代入到（11.1）和（11.2）中，可以得到其他3个参量的值，得到（11.3）： 根据上式（11.3）可以计算出两段分支线的特性阻抗和输出端口的负载阻抗分别为： 通过计算，可以得到输入端口的匹配条件，输出端口的匹配条件以及输入输出端口完全隔离的条件，当这些条件同时满足时，隔离电阻和支线的特性阻抗的关系应为： 二、功率分配器的主要技术参数 ●通带内各端口反射系数 ●通带内量输出端口间的隔离度 ●通带内传输损耗 ●通带内功分比 ●通带内相位平衡度 本设计将一个频率功分器，它的设计指标如下所示。
●工作频率0.9-1.1GHz； ●中心频率1GHz； ●通带内端口反射系数小于-10db； ●端口2和端口3之间的隔离度小于-10db； ●端口1和端口2的传输损耗小于3.1db； 三、设计原理图 把输入端口与两路分支线连接起来，并在两路分支线之间插入隔离电阻TFR，如下图所示。
T型功分器的设计与仿真 1.改进型威尔金森功分器的工作原理 功率分配器属于无源微波器件，它的作用是将一个输入信号分成两个(或多个)较小功率的信号，工程上常用的功分器有T型结和威尔金森功分器。 威尔金森功分器是最常用的一种功率分配器。图1所示的为标准的二路威尔 金森等功率分配器。从合路端口输入的射频信号被分成幅度和相位都相等的两路信号，分别经过传输线Bl和BZ，到达隔离电阻两端，然后从两个分路端口输出，离电阻R两端的信号幅度和相位都相等，R上不存在差模信号，所以它不会消耗功率，如果我们不考虑传输线的损耗，则每路分路端口将输出二分之一功率的信号。 图1威尔金森功分器 但是这种经典威尔金森等功率分配器有几个缺点: 1、大功率应用的时候，要求隔离电阻的耗散功率大因此电阻的体积也会比较大 2、如果功分器应用于较高的频段，波长就会与大功率电阻的尺寸相比拟，这样就需要考虑电阻的分布参数。 3、为了提高功分器性能，就要尽量减小Bl和BZ这两段传输线之间的藕合，因此在实际设计时，要求四分之一波长传输线Bl、BZ之间的距离较大，在低频应用时，由于四分之一波长较长，占用面积还是太大了，此外，四分之一波长传输线Bl、BZ的阻抗较高，因此线宽较细，制板的相对误差更大[24]。为克服这些缺点，本文采用了一种改进型的威尔金森等功率分配器，如图2所示
图2 改进型威尔金森功分器 可以看到，它仅由四段传输线组成，没有隔离电阻。传输线A 、Cl 、CZ 的特 征阻抗均为Z0。传输线B 位于A 和Cl 、CZ 之间，它的电长度为四分之一波长， 特征阻抗为Z0/2。从合路端输入的信号，通过传输线B ，被分成幅度和相位相等的的两路信号，分别经过传输线Cl 和C2到达分路端口一和二，在整个结构中，传输线B 起到了阻抗变换的作用。从传输线A 、B 相接处向左看，输入阻抗为Z0。从传输线B 与C1、C2相接处向右看，输入阻抗为Z0/2。利用四分之一阻抗变换器的原理我们知道，传输线的特征阻抗为2/00Z Z ?，即Z0/2。因此，整个电路处于功率分配与合成时，在中心频点处，三个端口都能匹配良好，没有反射。这种改进型的结构克服了标准威尔金森功分器的一系列缺点，同时由于省略了隔离电阻，所以成本降低，也不存在电阻分布参数的问题，与传统威尔金森功分器相比，减少了一段四分之一波长传输线，另外，构成变换器的四分之一波长传输线B 的特征阻抗较低，线宽较宽，能有效降低制板误差。 2功分器的设计与仿真 通过前面的分析，我们知道改进型威尔金森功分器四段传输线特征阻抗之间 的比例关系。由此可得，传输线A 、C1和C2的特征阻抗均为50Ω，而传输线B 的特征阻抗为352/0=Z Ω 为了实现右旋圆极化，经过C2输出的信号要比经过Cl 的相位超前?90，即Cl 要比C2长λ4/1g (λg 为中心频率所对应的介质波长)。设计的功率分配器 如图3所示，传输线段B 的长度约为λ4/1g ，起阻抗变换的作用。传输线段
第9章 功率分配器的设计与仿真 章
在射频/微波电路中， 为了将功率按一定比例分成两路或多路， 需要使用功率分配器 （简 称功分器）。反过来使用的功率分配器是功率合成器。在近代射频/微波大功率固态发射源 的功率放大器中广泛地使用功分器，而且通常功分器是成对使用，先将功率分成若干份， 然后分别放大，再合成输出。 在20世纪40年代，MIT辐射实验室（Radiation Laboratory）发明和制造了种类繁多的 波导型功分器。它们包括E和H平面波导T型结、波导魔T和使用同轴探针的各种类型的功 分器。在20世纪50年代中期到60年代，又发明了多种采用带状线或微波技术的功分器。平 面型传输线应用的增加，也导致了新型功分器的开发，诸如Wilkinson分配器、分支线混合 网络等。 本章分析功分器的设计方法，并利用ADS2009设计中心频率为750MHz的集总参数比 例型功分器和中心频率为1GHz的集总参数等分型功分器，进而给出中心频率为1GHz分布 参数（Wilkinson）功分器的电路和版图设计实例。 【本章重点】 ? 功分器的原理及技术指标 ? 集总参数功分器的设计及仿真 ? Wilkinson 功分器的设计及仿真
9.1 功分器的基本原理
一分为二功分器是三端口网络结构，如图 9-1 所示。信号输入端的功率为 P1，而其他 两个端口的功率分别为 P2 和 P3。由能量守恒定律 2 可知 1 功分器 P2 P 1= P 2+ P 3 （9-1） 3 P1 如果 P2（dBm）=P3(dBm)，三端口功率间的 P3 关系可写成 图 9-1 功分器示意图 P2（dBm）=P3(dBm)= P1（dBm）-3dB 当然，P2 并不一定要等于 P3，只是相等的情 况在实际电路中最常用。因此，功分器可分为等分型（P2=P3）和比例型（P2=kP3）两种类 型。
9.1.1 主要技术指标
功分器的主要技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出 间的插入损耗、支路端口间的隔离带、每个端口的电压驻波比等。
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微带功率分配器设计 1. 功率分配器论述： 1.1 定义： 功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器。 1.2 分类： 1.2.1 功率分配器按路数分为：2 路、3 路和 4 路及通过它们级联形成的多路功率分配器。 1.2.2 功率分配器按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。 1.2.2 根据能量的分配分为：等分功率分配器及不等分功率分配器。 1.2.3 根据电路形式可分为：微带线、带状线、同轴腔功率分配器。 1.3 概述： 常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分，主要有微带线、带状线、同轴腔功率分配器，几者间的区别如下： （1）同轴腔功分器优点是承受功率大，插损小，缺点是输出端驻波比大，而且输出端口间无任何隔离。微带线、带状线功分器优点是价格便宜，输出端口间有很好的隔离，缺点是插损大，承受功率小。 （2）微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同：同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进行匹配，到输出端进行分路；而微带功分器先进行分路，然后对输入端和输出端进行匹配。下面对微带线、带状线功率分配器的原理及设计方法进行分析。 2．相关技术指标： 2.1 概述： 功率分配器的技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。 2.2 频率范围： 频率范围各种射频/微波电路的工作前提，功率分配器的设计结构与工
作频率密切相关。必须首先明确分配器的工作频率，才能进行下面的设计。 2.3 承受功率： 在大功率分配器/合成器中，电路元件所能承受的最大功率是核心指标，它决定了采用什么形式的传输线才能实现设计任务。一般地，传输线承受功率由小到大的次序是微带线、带状线、同轴线、空气带状线、空气同轴线，要根据设计任务来选择用何种线。 2.4 分配损耗： 主路到支路的分配损耗实质上与功率分配器的功率分配比有关。如理想的两等分功率分配器的分配损耗是3dB，四等分功率分配器的分配损耗6dB，常以S参数S21的dB值表示。 2.5插入损耗： 输入输出间的插入损耗是由于传输线（如微带线）的介质或导体不理想等因素，及端口不是理想匹配所造成的功率反射损耗，常以S参数S21的dB 值表示。 2.6 隔离度： 支路端口间的隔离度是功分器的另一个重要指标。如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离度，如两支路端口2和3的隔离度用S23或S32的dB值表示。 2.7 驻波比: 在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Ｖmax ，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Ｖmin ，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。驻波比是驻波波腹处的声压幅值Vmax与波节处的声压Vmin幅值之比。驻波比是表示两端口合理匹配的重要指标，因此每个端口的电压驻波比越小越好。 2．设计原理： 2.1 分配原理： 微带线、带状线的功分器设计原理是相同的，只是带状线的采用
] 实验二、矩形波导TE10的仿真设计与电磁场分析 一、实验目的： 1、熟悉HFSS软件的使用； 2、掌握导波场分析和求解方法，矩形波导TE10基本设计方法； 3、利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。 二、预习要求 1、《 2、导波原理。 3、矩形波导TE10模式基本结构，及其基本电磁场分析和理论。 4、HFSS软件基本使用方法。 三、实验原理与参考电路 导波原理 3.1.1. 规则金属管内电磁波 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图1 所示坐标系, 设z轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。为了简化起见, 我们作如下假设： \ ①波导管内填充的介质是均匀、线性、各向同性的； ②波导管内无自由电荷和传导电流的存在； ③波导管内的场是时谐场。 图1 矩形波导结构 本节采用直角坐标系来分析,并假设波导是无限长的,且波是沿着z方向无衰减地传输,由电磁场理论, 对无源自由空间电场E和磁场H满足以下矢量亥姆霍茨方程: ` 式中β为波导轴向的波数,E0(x,y)和H0(x,y)分别为电场和磁场的复振幅,它仅是坐标x和y的函数。 以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程 ,并在直角坐标内展开,即有 (,) (,) j z j z E E x y e H H x y e β β - - ?= ? ? = ?? 式1 220 E k E ?+=
2222 2 2222222222220 T c E E E E k E k E x y z E E E k E x y E k E β????+=+++?????=+-+??=?+=式2 k c 表示电磁波在与传播方向相垂直的平面上的波数,如果导波沿z 方向传播,则 k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。 由麦克斯韦方程组的两个旋度式,很易找到场的横向分量和纵向分量的关系式。具体过程从略,这里仅给出结果： 《 从以上分析可得以下结论: ^ （1）场的横向分量即可由纵向分量； （2） 既满足上述方程又满足边界条件的解有许多, 每一个解对应一个波型也称之为模式,不同的模式具有不同的传输特性; （3）k c 是在特定边界条件下的特征值, 它是一个与导波系统横截面形状、 尺寸及传输模式有关的参量。 由于当相移常数β=0时, 意味着波导系统不再传播, 亦称为截止, 此时k c =k, 故将k c 称为截止波数。 对于横电模(Ez=0)和横磁模(Hz=0)上式分别可以简化为 TE 模或H 模 ~ TM 模或E 模 3.1.2 矩形波导中传输模式及其场分布 由于矩形波导的四壁都是导体,根据边界条件波导中不可能传输TEM 模,只能传输TE 或TM 模。 % 这里只分析TE 模(Ez=0) 对于TE 模只要解Hz 的波动方程。即 2222()() 4 ()()z z x c z z y c z z x c z z y c H E j E k y x H E j E k x y H E j H k x y H E j H k y x ωμβωμββωεβωε???=-+???? ???=-? ???????=-+???? ???=-+????式2222,,z z x y c c z z x y c c H H E j E j k y k x H H H j H j k y k y ωμωμωμωμ???=-=????? ???=-=???? 式522222 222T c E E E x y k k β????=+???? ?=-?其中 式3 222 c x y k k k =+2222,,z z x y c c z z x y c c E E H j H j k y k x E E E j E j k y k y ωεωεβωμ??? ==-???? ????=-=-???? 式622200 0220z z c z H H k H x y ??++=??式7
毕业设计（论文）题目：矩形波导模式和场结构分析
目录 第一章绪论 (1) 1.1 选题背景及意义 (3) 1.2 国内外研究概况及发展趋势 (3) 1.3 本课题研究目标及主要内容 (4) 1.4 本章小结 (6) 第二章矩形波导的基本原理 (7) 2.1 导波的一般分析 (7) 2.1.1规则矩形波导内的电磁波 (7) 2.1.2波导传输的一般特性 (8) 2.2 矩形波导的分析 (8) 2.2.1矩形波导电磁场解 (8) 2.2.2矩形波导中的波型及截止波长 (11) 2.3 本章小结 (12) 第三章矩形波导的设计 (13) 3.1 创建矩形波导模型 (13) 3.2 求解设置 (20) 3.3 设计检查和运行仿真 (22) 3.3.1设计检查 (22) 3.3.2运行仿真分析 (23) 3.4 本章小结 (24) 第四章HFSS仿真结果及其分析 (25) 4.1 HFSS软件仿真原理 .............................. 错误！未定义书签。 4.2 HFSS仿真实现 (26) 4.3 仿真结果分析 (32) 4.4 本章小结....................................... 错误！未定义书签。第五章小结与展望 .. (33) 5.1 工作总结 (33) 5.2 工作展望 (33) 参考文献 (33) 致谢 (35) 附录 A 常用贝塞尔函数公式错误！未定义书签。
矩形波导模式和场结构分析 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截面形状为矩形的长方形的金属管。若将同轴线的内导线抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。矩波导加工方便，具有损耗小和双极化特性，常用于要求双极化模的天线的馈线中，也广泛用作各种谐振腔、波长计，是一种较常用的规则金属波导。 矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。其中主要有三种常用模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。在不同工作模式下，截止波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种工作模式的用途也不相同。导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电力线的疏密来表示场得强与弱。 本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常用模式，并利用MATLAB 和三维高频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。 1.2国内外研究概况及发展趋势 由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究方法，采取重叠的研究方法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。时域有限差分法就是实现直接对电磁工程问题进行计算机模拟的基本方法。在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进行了大量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作用下的理论。另外，对于物体的电特性，理论上具有几乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带内的频率成分在区主要作用。 英国物理学家汤姆逊(电子的发现者) 在1893 年发表了一本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩金属壁管子(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预言波长可与矩柱直径相比拟, 这就是微波。他预言的矩波导传输, 直到1936 年才实现。汤姆逊成为历史上第一位预言波导的科学家。这证明科学预言可以大大早于技术的发展, 同时也表明了应用数学的威力。英国物理学家瑞利在1897 年发表了论文, 讨论矩形截面和矩形截面“空柱”中的电磁振动, 它们对应后来的矩形波导和矩波导, 并引进了截止波长的概念。瑞利得到了矩形波导中主模的场方程组,这是雷达中最常用的模式,
矩形波导模式和场结构分析 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截面形状为矩形的长方形的金属管。若将同轴线的内导线抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。矩波导加工方便，具有损耗小和双极化特性，常用于要求双极化模的天线的馈线中，也广泛用作各种谐振腔、波长计，是一种较常用的规则金属波导。 矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。其中主要有三种常用模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。在不同工作模式下，截止波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种工作模式的用途也不相同。导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电力线的疏密来表示场得强与弱。 本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常用模式，并利用MATLAB 和三维高频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。 1.2国内外研究概况及发展趋势 由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究方法，采取重叠的研究方法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。时域有限差分法就是实现直接对电磁工程问题进行计算机模拟的基本方法。在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进行了大量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作用下的理论。另外，对于物体的电特性，理论上具有几乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带内的频率成分在区主要作用。 英国物理学家汤姆逊(电子的发现者) 在1893 年发表了一本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩金属壁管子(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预言波长可与矩柱直径相比拟, 这就是微波。他预言的矩波导传输, 直到1936 年才实现。汤姆逊成为历史上第一位预言波导的科学家。这证明科学预言可以大大早于技术的发展, 同时也表明了应用数学的威力。英国物理学家瑞利在1897 年发表了论文, 讨论矩形截面和矩形截面“空柱”中的电磁振动, 它们对应后来的矩形波导和矩波导, 并引进了
实验二、矩形波导TE 10的仿真设计与电磁场分析 一、实验目的： 1、 熟悉HFSS 软件的使用； 2、 掌握导波场分析和求解方法，矩形波导TE 10基本设计方法； 3、 利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。 二、预习要求 1、 导波原理。 2、 矩形波导TE 10模式基本结构，及其基本电磁场分析和理论。 3、 HFSS 软件基本使用方法。 三、实验原理与参考电路 导波原理 3.1.1. 规则金属管内电磁波 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图1 所示坐标系, 设z 轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。为了简化起见, 我们作如下假设： ① 波导管内填充的介质是均匀、 线性、 各向同性的； ② 波导管内无自由电荷和传导电流的存在； ③ 波导管内的场是时谐场。 图1 矩形波导结构 本节采用直角坐标系来分析,并假设波导是无限长的,且波是沿着z 方向无衰减地传输,由电磁场理论, 对无源自由空间电场E 和磁场H 满足以下矢量亥姆霍茨方程: 式中β为波导轴向的波数,E 0(x,y)和H 0(x,y)分别为电场和磁场的复振幅,它仅是坐标x 和y 的函数。 以电场为例子，将上式代入亥姆霍兹方程 ,并在直角坐标内展开,即有 22222 2222222222220T c E E E E k E k E x y z E E E k E x y E k E β????+=+++?????=+-+??=?+=式2 k c 表示电磁波在与传播方向相垂直的平面上的波数,如果导波沿z 方向传播,则 k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。 00(,)(,)j z j z E E x y e H H x y e ββ--?=??=?? 式1220E k E ?+=22222222T c E E E x y k k β????=+?????=-?其中式3 222c x y k k k =+
毫米波微带波导过渡设计 喻梦霞 徐 军 薛良金 (电子科技大学物理电子学院,四川,成都,610054) 摘要 利用高频分析软件HFSS仿真分析了K a频段对脊鳍线微带波导过渡结构.将仿真结果对影响过渡性能的几个因素进行了分析,得出了可供工程应用参考的设计曲线,并根据曲线设计了微带波导过渡,在整个K a频段内,插入损耗小于1dB.实验结果与设计曲线结果相符. 关键词 毫米波,过渡,HFSS仿真,对脊鳍线. MI LLIMETE D WAVE WAVEGUIDE2TO2MICR OSTRIP TRANSITION DESIGN Y U Meng2X ia X U Jun X UE Liang2Jin (C ollege of Physical E lectronics,The University of E lectronic Science and T echnology of China, Chengdu,S ichuan610054,China) Abstract A K a2band antipodal finline waveguide2to2microstrip transition was analyzed and simulated by HFSS s oftware.The sev2 eral factors of simulation result for affecting per formance of transition are analyzed,and a design curve of transition available for project application is obtained.Based on the curve,the waveguide2to2microstrip transition is designed.The insertion loss of transi2 tion is below1dB in the K a2band.Experimental results coincide well with the design curve. K ey w ords millimterwave,transition,HFSS simulation,antipodal finline. 引言 随着毫米波技术在无线通讯和雷达系统中应用的不断增多,低成本、高可靠性的毫米波单片集成电路(M MIC)的使用也日趋广泛.在使用M MIC的毫米波接收系统中,对各个M MIC之间的连接采用的是微带线.而现有的毫米波测试系统采用的是矩形波导接口,这就要求在使用M MIC的系统中寻找一种低成本、低损耗、易制造的宽带矩形波导到微带过渡.目前常用的过渡结构有:阶梯脊波导过渡[1]、对脊鳍线过渡[2～4]、耦合探针过渡[5,6]等.这些过渡结构带宽较宽(在10～20%的带宽内回波损耗在15dB 以下),插入损耗小.其中阶梯脊波导过渡加工复杂,耦合探针过渡因波导出口方向与电路平行,使其不满足很多系统结构的要求,而对脊鳍线过渡,因其可以采用微波印制版技术制作在价廉的软基片上,现在已成为一种普遍运用的过渡结构. 最初由J.H.C.van Heuven[2]提出的对脊鳍线过渡,经M.Dydyk、B.D.M oore[3]、G.E.P onchak和Alan N.D owney[4]等人的不断完善和发展,现已可获得较宽的工作带宽.但是由于这种结构形式的过渡要产生一系数的谐振模式,如果某一谐振频率正好落入与其相连的器件的工作带宽,就可能使其对器件产生偶合,从而影响器件的性能.这就使得其设计变得复杂,因而妨碍了它的应用.为此,本文通过高频分析软件HFSS对引起过渡谐振的几个参数进行了分析,得出了可供工程应用参考的设计曲线以满足工程设计的应用. 1 过渡物理模型分析 本文采用了由G eorge E.P onchak和Alan N. D owney提出的过渡结构.在这个由波导到微带的过渡结构中,对脊鳍线的2个金属鳍逐渐渐变成微带线.制作在基片正反面的渐变鳍线构成了一圆弧形谐振区,谐振区内的金属块是用来抑制谐振的(如图1所示).过渡长度L,谐振区长度X及谐振块与金 第22卷第6期2003年12月红外与毫米波学报 J.In frared Millim.Waves V ol.22,N o.6 December,2003 稿件收到日期2002209209,修改稿收到日期2003202224Received2002209209,revised2003202224
定义: 功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可将称为合路器。 分类： 功率分配器按照路数分为：2路、3路和4路及通过它们级联形成的多路功率分配器。 功率分配器按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。 根据能量的分配分为：等分功率分配器及不等分功率分配器 根据电路形式可分为：微带线，带状线，同轴腔体分配器 概述： 常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分，主要有微带线，带状线，同轴腔功率分配器，几者间的区别如下： （1）：同轴腔体功分器优点是承受功率大，插损小，缺点是输出端驻波比大，而且输出端口有很好的隔离，缺点是插损大，承受功率小。 （2）：微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同：同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进行匹配，到输出端进行分路；而微带功分器先进行分路，然后对输入端和输出端进行匹配。 分配原理： 微带线、带状线的功分器设计原理是相同的，只是带状线的采用的是对称性空气填充或介质板填充，而微带线的主要采用的是非对称性部分介质填充和部分空气填充。下面我们以一分二微带线功率分配的设计为例进行分 图1：一分二功分器示意图 在现有的通信系统中，终端负载均为50Ω，也就是说在分支处的阻抗并联后到阻抗结处应为50Ω。如上图匹配网络，从输入端口看Ω==500Z Z in ，而Ω==50//21in in in Z Z Z ，且是等分的，所以1in Z =2in Z ，①处1in Z 、②处2in Z 的输入阻抗应为100Ω，这样由①、②处到输出终端50Ω需要通过阻抗变换来实现匹配。 功分器功率分析： 我们知道，当从功率分配器的输入端加一功率，由于每一路间的信号是同幅同相的，而且理论上电路是完全匹配的，所以隔离电阻上无功率通过，也就是说不承受功率，所以功分器的功率容量主要根据插入损耗计算出在传输线上损耗的能量，从而计算出能够承受的最大功率即可。 当功分器作为合路器使用时我们可以根据以上隔离电阻原理进行分析，计算出隔离电阻上所承受的功率。 下面以一分二功分器作为合路器，以10W 功率输入为例： （1）：当一输出端输入10W,其它端口接负载时，输入端输出的功率为5W,另一端口输出功率为0，隔离电阻 消耗功率为5W 。 （2）：当功分器两输出端输入同幅同相10W 功率信号，输入端输出功率为20W,隔离电阻不消耗功率。
设计资料 微带功率分配器设计方法 1. 功率分配器论述： 1.1 定义： 功率分配器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路信号能量输出的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器。 1.2 分类： 1.2.1功率分配器按路数分为：2路、3路和4路及通过它们级联形成的多路功率分配器。 1.2.2功率分配器按结构分为：微带功率分配器及腔体功率分配器。 1.2.2根据能量的分配分为：等分功率分配器及不等分功率分配器。 1.2.3根据电路形式可分为：微带线、带状线、同轴腔功率分配器。 1.3 概述： 常用的功率分配器都是等功率分配，从电路形式上来分，主要有微带线、带状线、同轴腔功率分配器，几者间的区别如下：（1）同轴腔功分器优点是承受功率大，插损小，缺点是输出端驻波比大，而且输出端口间无任何隔离。微带线、带状线功分器优点是价格便宜，输出端口间有很好的隔离，缺点是插损大，承受功率小。（2）微带线、带状线和同轴腔的实现形式也有所不同：同轴腔功分器是在要求设计的带宽下先对输入端进行匹配，到输出端进行分路；而微带功分器先进行分路，然后对输入端和输出端进行匹配
F面对微带线、带状线功率分配器的原理及设计方法进行分析。 2.设计原理： 2.1分配原理： 微带线、带状线的功分器设计原理是相同的，只是带状线的采用的是 对称性空气填充或介质板填充，而微带线的主要采用的是非对称性部分介质 填充和部分空气填充。下面我们以一分二微带线功率分配的设计为例进行分 析。传输线的结构如下图所示，它是通过阻抗变换来实现的功率的分配。 图1：一分二功分器示意图 在现有的通信系统中，终端负载均为50 Q,也就是说在分支处 的阻抗并联后到阻抗结处应为50Q。如上图匹配网络，从输入端口 看Z in 二Z o =50"，而Z in 二Z ini〃Z in2 =50^，且是等分的，所以Z ini = Z jn2 , ①处Z ini、②处Z. 2的输入阻抗应为100Q，这样由①、②处到输出终端50Q 需要通过阻抗变换来实现匹配。 2.2阶梯阻抗变换: 在微波电路中，为了解决阻抗不同的元件、器件相互连接而又不 使其各自的性能受到严重的影响，常用各种形式的阻抗变换器。其中 最简单又最常用的四分之一波长传输线阶梯阻抗变换器（图2）。它 的特性阻抗Z1为待匹配的阻抗 \—Z0 Z1 Z2 ________________ I \
智能功率分配器原理 平均户型面积为100m2 ，电力外网设计时平均每户设计标准为6KW，按照建筑物节能率为65%标准，电工暖热负荷不超过34W，耗热指标不超过15W，但为提升温度,实际安装按50W/m2 进行。每户电供暖总负荷为5000W，电视、冰箱、照明小负荷设备，即长时间运行设备总负荷约800W，合计为5800W，未超过每户住宅6KW标准。 智能功率分配器通过实时监控电力负荷，合理分配电流输出，由智能功率分配器中的智能程序启动和停止电供暖负荷。当家用电器达到用电高峰时，电采暖低负荷运行。当家用电器负荷低谷时，电采暖自动开启投入运行。一般住户用电高峰为早、中、晚、三个时间段，时间不超过一天的三分之一，所以不影响电采暖正常使用
随着人们生活水平的提高，家庭中的家用电器越来越多，家庭使用电力负荷也越来越大。在冬季使用电采暖系统时，所有家用电器的实时总负荷将大于电力系统给每户额定输入功率，总负荷增大后，用户的电力系统部安全因素将增加或者不能正常供电。智能功率分配器通过实时监控进户电网功率，根据不同时间与不同用户要求，使用优先方式、分时方式、均分方式合理的分配主功率与电采暖功率的大小，避免了用户实际使用负荷过大问题，使供电电网更加安全。
A：检测进户主负载功率，根据时间与用户要求自动分配电采暖输出功率。 B：检测供电电压，当电压过大时自动保护旁路中的电热线缆。C：三路电采暖负载输出，每一路独立输出最大功率为2KW。D：自动保护电采暖输出回路，电采暖输出回路出现短路、断路时，自动关闭当前电采暖输出回路。 E：实时显示主回路与电采暖回路功率。 F：每天电采暖工作时间不小于16小时，在最低温度下完全满足任何用户的采暖量。 G：完善的故障保护，故障警告。 H：结构尺寸小巧，可以直接安装在用户的进户配电箱中。
第24卷增刊微波学报 V ol.24 Supplement 2008年10月 JOURNAL OF MICROW A VES Oct. 2008 8-18GHz同轴-波导转换器的分析与设计 魏振华田立松冯旭东尹家贤胡粲彬 （国防科学技术大学电子科学与工程学院一系，长沙410073） 摘要：同轴—波导转换器是微波系统中非常重要的元器件。基于脊波导和波导阶梯对导播系统中电磁波传播性能的影响，本文探讨了这两种结构应用在8-18GHz的宽带同轴—波导转换器设计中的情况。通过同轴—脊波导—矩形波导转换，并在脊波导上加载阶梯，很好地改善了阻抗匹配效果，提高了同轴—波导转换器的传输性能。仿真结果证明脊波导和波导阶梯在设计同轴—波导转换器中的有效性，在8-18GHz的倍频程带宽内驻波小于1.22，产生的高次模非常小。 关键词：同轴—波导转换，脊波导，波导阶梯阻抗变换 Analysis and Design on 8-18GHz Coaxial-Waveguide Transition WEI Zhen-hua, TIAN Li-song, FENG Xu-dong, YIN Jia-xian,HU Can-bin ( College of Electronic Science and Engineering, NUDT,Changsha 410073, China ) Abstract：Coaxial-waveguide transition plays an important role in microwave system.Based on the influence of ridge waveguide and waveguide ladder exerted on transmission performance of electromagnetic wave in guided wave system, this paper discussed the situations of these two structures applied in the 8-18 GHz broadband coaxial-waveguide converter designation. Through the conversion of coaxial - ridge waveguide - rectangular waveguide, and ladder loading of ridge waveguide, the effectiveness of impedance matching is well-improved,and the transmission performance of coaxial-waveguide converter is highly-advanced. Simulation results proved the effectiveness of ridge waveguide and waveguide ladder in designing coaxial- waveguide converters.The VSWR of coaxial-waveguide transition designed in this paper is less than 1.22 in the 8-18 GHz octave bandwidth, and the high modulus produced is very small. Key words：Coaxial-waveguide transition, Ridge waveguide, Waveguide ladder impedance transformation 引言 同轴波导转换器在微波系统中应用非常广泛，是雷达设备、精确制导和微波测试电路中的重要无源连接器件。其设计的基本要求是：低驻波、低插入损耗。 同轴波导转换器的相对带宽比较小，驻波小于1.1时最多可以达到10%的带宽[1]；在同轴腔体内设置周期性光带隙（PBG）的内导体介质支撑垫、矩形波导内设置阶梯阻抗变换，这种设计方法在25-40GHz的带宽内驻波小于1.25，但相对带宽只有46%[2]；利用波导阶梯变换，在714-2500MHz的带宽内驻波小于1.74，但是驻波小于1.22的带宽范围只有其中的850-1150 MHz[3]。但是以上两种设计在超过倍频程的带宽时产生的高次模会比较大，影响传输性能。 本文所设计的8-18GHz的超宽带同轴波导转换器，工作频带超过倍频程，相对带宽达到72%，设计要求频带内驻波小于 1.22（即回波反射小于-20dB），而且要求频带内高次模非常小。同轴电缆采用常用的外半径为2mm，内半径为0.6mm，介电常数为2.08的标准50Ω同轴电缆。 1 理论分析 矩形波导中插入了探针，并在宽壁上开孔，这在波导同轴转换处引入了电抗，造成波的反射，使 *收稿日期：2008-04-06
Differences in Application Between Power Dividers and Power Splitters Application Note
Introduction Power dividers are an RF microwave accessory constructed with equivalent 50? resistance at each port. These accessories divide power of a uniform transmission line equally between ports to enable comparison measurements. Power dividers provide a good impedance match at both the output ports when the input is terminated in the system characteristic impedance (50?). Once a good source match has been achieved, a power divider is used to divide the output into equal signals for comparison measurements. The power divider also can be used in test systems to measure two different charac- teristics of a signal, such as frequency and power, for broadband independent signal sampling. Besides dividing power it also can act as power combiners because they are bi-directional. Power splitters are constructed of two resistors. They are used for leveling and ratio measurement applications to improve the effective output match of microwave sources. The two-resistor con? guration also provides 50? output impedance to minimize measurement uncertainty in source leveling or ratio measurement applications. Characteristics of power dividers and power splitters Power dividers Power splitters ? Divide a signal equally for comparison measurements ? All ports have equivalent 162?3 resistance ? Can be used as power combiners ? SWR 3:1 ? Used in ratio measurements and leveling loop applications ? Only the input port has a 50? resistance, the other two ports have 83.33? impedance ? SWR 1:1 Key speci? cations of Agilent 11636C power dividers and 11667C power splitter 11636C power dividers 11667C power splitters ? Operating frequency: DC to 50 GHz ? ±0.3 dB amplitude tracking ? ± 2o phase tracking ? Low SWR 1.67 ? Operating frequency: DC to 50 GHz ? <0.4dB tracking between output ports ? Excellent output: 1.10 SWR at the auxiliary port