Ka频段脊波导的仿真与工程应用

红外与毫米波学报

J.InfraredMillim.WavesVol.21,No.2April,2002

Ka频段脊波导过渡的仿真与工程应用3

吴秋生　延　波　薛良金

(电子科技大学应用物理研究所,四川,成都,610054)

摘要　在分析各种过渡结构的基础上,用高频分析软件HFSS仿真设计了Ka频段直线型脊波导过渡和曲线型脊

波导过渡结构,在31～38GHz的宽带范围内,插入损耗小于0135dB。实测结果与仿真结果基本符合,直线型脊波导结构简单,适合工程应用.关键词　直线型脊波导,曲线型脊波导,HFSS仿真.

SIMULATIONANDPROJECTAPPLICATIONOFKa2BAND

RIDGEWAVEGUIDETRANSITIONS3

WUQiu2Sheng　YANBo　XUELiang2Jin

(InstituteofAppliedPhysics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu,Sichuan610054,China)

Abstract　Ka2bandrectilinearandcurvilinearridgewaveguidesweredesignedandsimulatedbyHFSSbasedontheanaly2sisofkindsoftransitions.Theinsertionlossisbelow0.35dBintherangeof31～38GHz.Thesimulatedresultscoincidewiththatoftestsessentially.Rectilinearridgewaveguideissuitableforprojectapplicationbecauseofitssimplestructure.Keywords　rectilinearridgewaveguide,curvilinearridgewaveguide,HFSSsimulation.

引言

当前微波毫米波系统,比如军用与民用中的收发系统要求更为紧凑的过渡,目前常用的过渡结构有:阶梯脊波导过渡[1]、对极鳍线过渡、耦合探针过渡[2,3]等.这些过渡结构带宽较宽(在10～20%内回波损耗在15dB以下),插入损耗不到017dB,它们加工复杂,一些过渡尺寸长,工艺要求高,并且还要考虑元件气密性问题,因此增加了设计的费用和加工的难度,使得成本相应提高.本文所介绍的直线脊波导与曲线脊波导加工简单(尤其是直线脊线导),性能虽比前面提到的略差一些,尤其是平坦度,但更能适合工程应用.

小区域用一个函数表示.HP2HFSS中是把几何模型自动划分为许多四面体,四面体由四个正三角形组成,这些四面体组成了有限元网格.四面体中点的矢量场是在顶点之间插入,以三维亥姆霍兹方程有限元分析为例[4],设亥姆霍兹方程为

󰂈2Φ+k2Φ=g,

对于四面体元,元内函数Φ可表示为

Φe=a+bx+cy+dz,

Φei=a+bxi+cyi+dzi,(i=1,2,3,4)

程组的行列式为

1det=

111

x1x2x3x4

y1y2y3y4

z1z2z3z4

(2)(3)(1)

表达式同样适用于函数g.四面体元的四个结点上有因此有四个联立方程,从中求得系数a,b,c,d1方

1　HFSS仿真原理

脊波导设计仿真利用HFSS进行,HP2HFSS采用有限元法解决电磁场问题,求出S参数。有限元法一般是把对象空间划分为许多小区域,而每一个

3国家科技预研基金(批准号81315110)资助项目

稿件收到日期2001211215,修改稿收到日期2002202216

=6V,(4)

式(4)中det为行列式的值,V是四面体体积1求出

3TheprojectsupportedbytheScienceandTechnologyPreliminaryRe2searchFoundationofNationalDefenseofChina(No.81315110)Received2000211215,revised2002202216

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　2期　　　　吴秋生等:Ka频段脊波导过渡的仿真与工程应用

143图1　直线型脊波导过渡模型

Fig.1　Rectilinear2ridge2waveguidemodel

图3　直线型脊波导回波损耗Fig.3　Returnlossoftherectilinear

a,b,c,d1可以写出

Φe=6ai(x,y)Φei,

i=1

4

(5)

1

11

式(5)中a1=

6V1

1

xx2x3x4

yy2y3y4

zz2z3z4

图4　直线型脊波导插入损耗

Fig.4　Insertionlossofrectilinearridgewaveguide

,

a2,a3,a4有类似的表达式.

HP2HFSS保存了顶点的三个平行于邻边的分

量,还保存了平行于面而垂直于边的边中点的场,四面体内部的场就是从这些节点中插入而得.用这种方法,麦克斯维方程转换成矩阵方程,可以用传统数值方法解决.

在网格大小(决定了精度)和现有的计算能力之间必须采取折衷的方法,一方面,方案的精度由每个元素(四面体)决定,同一个对象,网格越多就越精确,因为四面体越小,节点之间插入的误差越小;另一方面,计算大量的网格需要占用大量的CPU时间和内存,所以,在保证精度下应简化网格.

优化网格时,HP2HFSS采用了迭代的方法,在关键的区域能自动细化网格。首先,生成一个粗糙的初始网格方案,然后,根据可容许的误差标准细化网格,产生一个新的方案,当S参数收敛到预定值,迭代过程就结束了.

2　仿真结果与工程应用

以下的仿真环境设置为:收敛精度ΔS<0105;频率范围为26～40GHz;线性点为15个;其它采用系统默认值.

直线型脊波导如图1所示,采用8mm波导(71112×31556mm),微带εr=2122,W=0176mm,

Ω.h=01254mm,Z0=50

图2为图1过渡段中尖劈的放大图,仿真结果

见图3、图4.

从仿真结果可见,回波损耗大的地方,插入损耗大,因此,改善结构前端的匹配很重要,特别是在频率高端,发生了严重失配,回波损耗迅速增大,插入损耗相应增大.

曲线型脊波导如图5所示.图6为过渡段中的

图2　尖劈部分放大图Fig.2　Magnificationofthechop图5　曲线型脊波导过渡模型

Fig.5　Curvilinear2ridge2waveguidmodel

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144红外与毫米波学报　　　　　　21卷　微带部分,长16mm,曲线型脊波导过渡段的仿真结果如图7、图8所示.比较直线型与曲线型脊波导,可以看出二者差别不大,曲线型的带宽要比直线型宽一些,这是曲线型结构的优点.

对于实际的脊波导过渡结构而言,必须扣除微带的影响,16mm微带的插入损耗约为012～0125dB,因此单个直线型脊波导在31～38GHz的插入损耗在013dB以下;单个曲线型脊波导在30～39GHz的插入损耗在0135dB以下.

根据设计仿真结果,对有波导微带过渡的背靠背结构进行测试(见图9),测试系统由信号源为HP8350,输入功率为0dBm,频率范围为30～40GHz,标量网络分析仪AV3611组成,测试结果如图10所示.图10的结果包括了两个脊波导(输入、

图7　曲线型脊波导回波损耗Fig.7　Returnlossofcurvilinear

ridgewaveguide

图6　脊波导过渡的微带部分

Fig.6　Themicrostripofridgewaveguidetransition

输出各一个)以及16mm微带线的插入损耗,由此可推算出在35～37GHz(实验要求的频段)单个脊波导的插入损耗为0145～019dB,与仿真结果比较有一定误差,最佳点在32182GHz,推算得出单个脊波导插入损耗约为013dB,接近仿真值.因为实验所用的脊波导的尖壁部分是手工打磨,误差在所难免,而尖劈对结果影响很大,有的相差达4dB,并且会引起中心频率漂移,需要经过反复多次的实验才能得到较好的结果.实验中还要注意尖劈与微带、脊与波导底边的接触问题.

图8　曲线型脊波导插入损耗Fig.8　Insertionlossofcurvilinear

ridgewaveguide

3　结语

本文通过HFSS对直线型脊波导和曲线型脊波导进行仿真,得到比较合理的结构尺寸,并在实验中反复验证,得到比较好的结果,对于提高微波毫米波系统的性能无疑有很大帮助.而HFSS采用的有限元法,同样适用于分析其它无源电路和有源电路.

REFERENCES

图9　背靠背过渡的结构图Fig.9　Layoutofback2to2backtransition

图10　背靠背结构的过渡段插入损耗Fig.10　Insertionlossofback2to2backtransition

[1]HUI2WenYao,AmrAbdelmonem,Ji2FuhLiang,etal.Afullwaveanalysisofmicrostrip2to2waveguidetransitions.IEEEMTT2S,1994:213—216

[2]FrankJ.Villegas,D.IanStones,H.AlfredHung.Anovel

waveguide2to2microstriptransitionformillimeter2wavemod2uleapplication.IEEEMTT,1999,47(1):48—55

[3]Yoke2ChoyLeong,SanderWeinreb.Fullbandwaveguide2to2microstripprobetransitions,IEEEMTT2S.1999.1435—1438

[4]LOURen2Hai.ElectronicandMagneticTheory.Cheng2du:UniversityofElectronicScienceandTechnologyPress(楼仁海.电磁理论.成都:电子科技大学出版社),1996,357

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