章國(guó)慶++蔣開明

摘 要 本文介紹了帶隔板T形波導(dǎo)的數(shù)值計(jì)算方法和平面電路方法，在此基礎(chǔ)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(jié)論可為功率分配器的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

關(guān)鍵詞 T形波導(dǎo)；隔板；HFSS仿真；功分比

中圖分類號(hào)：TN73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）19-0067-02

T形波導(dǎo)常用于功率分配或合成中，經(jīng)典的T形波導(dǎo)輸入端駐波比較大，功分比不易控制，故實(shí)際應(yīng)用中長(zhǎng)采用加載電抗元件的方法來匹配輸入端阻抗，并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(dǎo)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(lì)源，將T形波導(dǎo)分成5個(gè)子計(jì)算域，利用離散Fourier 變換，從時(shí)域電磁場(chǎng)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(jié)論[2]。

1.2 平面電路法

該方法采用短路邊界平面電路法對(duì)二維積分形式的波動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值求解，可求得各離散點(diǎn)的電壓和電流值。依據(jù)該理論，對(duì)加載隔板H-T接頭模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并給出等效電路模型，采用最小二乘法給出參數(shù)計(jì)算公式[1]。其等效電路模型如圖2所示，其結(jié)果與HFSS仿真結(jié)果相似。

圖1 帶隔板T形波導(dǎo)模型

圖2 帶隔板T形波導(dǎo)等效電路

2 最佳隔板

在無隔板情況下，直接將T形波導(dǎo)用于功分器，會(huì)產(chǎn)生很大的回波損耗，端口反射強(qiáng)烈且效率低。加載隔板的T形波導(dǎo)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(zhǎng)度會(huì)影響T形波導(dǎo)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(zhǎng)度和厚度。由圖3可見，隨著隔板長(zhǎng)度的不斷增大，回波損耗逐漸減小，在0.4英寸處達(dá)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(guān)系曲線。由于仿真時(shí)隔板厚度的初始值設(shè)定為0.01英寸，所以根據(jù)圖4可以認(rèn)為隔板的厚度越薄越好。因此在一般實(shí)際應(yīng)用中都采用薄片作為隔板。在極限情況時(shí)變?yōu)闊o隔板，此時(shí)回波損耗又將變大。

圖3 10GHz下隔板長(zhǎng)度與輸入端口回波損耗的關(guān)系

圖4 10GHz下隔板厚度與輸入端口回波損耗的關(guān)系

綜上所述，在T形波導(dǎo)作3dB功分器時(shí)，存在最佳隔板，使得其性能最優(yōu)。

3 不同功分比的實(shí)現(xiàn)

一般情況下，T形波導(dǎo)用作3dB功分器，但在特殊情況下，仍需要實(shí)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(shí)，可以實(shí)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?yàn)楦舭宓囊?，改善了波?dǎo)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(shè)定優(yōu)化變量Offset后得到隔板位置與三端口輸出功率的關(guān)系，如圖5所示。

為節(jié)省優(yōu)化時(shí)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(shè)定目標(biāo)函數(shù)后仿真得到端口2和端口3達(dá)到不同功率比時(shí)，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(guān)系

從表1可以看到，若2和3端口功率比較小時(shí)，輸出端回波損耗很小，可以做到較好的匹配。調(diào)節(jié)隔板的位置既能實(shí)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(shí)現(xiàn)是犧牲了2和3端口的駐波來實(shí)現(xiàn)的。綜上可知隔板在一定范圍內(nèi)是一個(gè)很好的匹配和調(diào)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(guān)系

4 小結(jié)

加載隔板T形波導(dǎo)常用于功分器設(shè)計(jì)，但隔板對(duì)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(chǔ)上得出了隔板位置與三端口功率輸出的關(guān)系曲線，并具體優(yōu)化了4個(gè)常用功分比下的隔板精確位置，能夠?yàn)楣Ψ制鞯脑O(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

基金項(xiàng)目

上海海事大學(xué)科研基金項(xiàng)目（20120095）。

上海海事大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2014ycx009）。

參考文獻(xiàn)

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