帶隔板T形波導的仿真研究

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

[1]李龍，張玉，梁昌洪.加載隔板的H面T性能分析[J].西安電子科技大學學（自然科學版），2002，29（1）.

[2]胡福剛，褚慶昕.帶隔板H-T形波導接頭的FDTD分析[J].西安電子科技大學學報（自然科學版），2002，29（4）.

[3]Marcuvitz N.Waveguide Handbook[M].New York； McGraw-Hill Book Company， Inc， 1951：355-360.

[4]李明洋，劉敏.HFSS電磁仿真設計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2013：8-28.

[5]David M. Pozar.微波工程（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：90-98.endprint