利用高频结构仿真器分析波导魔T

研究与设计
利用高频结构仿真器分析波导魔T
屠秀平
(山东德州科技职业学院,山东 德州 251200)
Analysis of Waveguide Magic T Using HFSS
T U Xiu ping
(Science and T echnology Prof essional Colle ge of Shandong Dez hou,Dez hou251200,China)
Abstract:High Frequency Structure Simulator(H FSS)is used for microw ave components design,w hich has friendly interface and can reduce debugg ing workload through simulated calculation.In this paper,a w aveg uide m agic T is analy zed by using H FSS,its S parameters and distribution of dynamic and static field have been g ot.Base on them,the optimum design method is sugg ested.
Key words:H FSS;Waveguide mag ic T;S parameters;Field distribution
摘要:高频结构仿真器(HF SS)是一种微波器件设计软件,该软件界面友好,通过仿真计算减小了调试工作量,使得微波器件的设计变得简单易行。

本文利用HF SS对波导魔T进行了仿真分析,得到了该器件的S参数和动、静态场的分布情况,并对该器件进行了优化设计。

关键词:高频结构仿真器;波导魔T;S参数;场分布
中图分类号:TN12 文献标识码:A 文章编号:1002-8935(2006)06-0009-03
波导魔T是完全匹配的、对应臂互相隔离的3 dB定向耦合器,可用以组成微波阻抗电桥、平衡混频器、和差器、平衡天线收发开关、相移器等,是在微波技术中广泛使用的器件。

波导魔T的传统设计方法是[1]:首先手工计算,然后调节金属圆棒的粗细、位置、插入深度和膜片的大小、厚度及位置,最后进行实验调整,确定它们的尺寸及最后位置,费时费力,费用大造价高。

自20世纪70年代以来,CAD 工具在微波工程领域得到越来越广泛的应用,它为人们提供了一种设计微波器件的新途径。

经过多年的发展,目前国内外已有多种微波CAD软件,以Ansoft公司的高频结构仿真器(HFSS)效果较佳[2], HFSS V9就是其中的一种。

HFSSV9是一种采用有限元法的三维电磁场仿真软件,能处理任意形状的微波电路和元件结构,能进行全面的参数化设计,自动实现最优化和参数化扫描设计,自动设计分析制造公差带来的性能变化。

本文用HFSS对波导魔T进行仿真分析,观察了该器件的S参数和动、静态场的分布情况,并对该器件进行了优化设计。

1 波导魔T的基本原理
波导双T接头是由E T分支和H T分支组合而成,是一个可逆无耗的四端口元件。

在波导双T 接头中,E T和H T分支各自的特性仍然存在,所以,E臂与H臂彼此隔离。

但对于普通双T接头, TE10波自E臂或H臂输入时,即使其余各端口都接匹配负载,由于分支波导连接处结构突变,E臂和H 臂仍有反射波,也就是普通双T接头并不是完全匹配的。

要消除这些反射波,达到完全匹配,须在接头处放置电抗元件进行匹配。

匹配方法之一是在H 臂中插入一根螺钉,在E臂中加入一个感性膜片,它们可分别对H臂和E臂的TE10波产生新的反射,与接头处的反射相抵消,起到了调配作用。

完全匹配的双T接头称为波导魔T[3]。

波导魔T的外形结构如图1所示。

波导魔T的散射矩阵可写为:
[S]=
S11S12S13S
14
S12S11-S13S14
S13-S1300
S14S1400
(1)
VA CU U M EL ECT RONI CS
真空电子技术
图1 波导魔T外形结构
魔T是无耗、互易网络,则有[S][S]*=[U],由式(1)得:
2|S13|2=1,2|S14|2=1
S*13S11-S*13S12=0,S*14S11+S*14S12=0
解得:
|S13|=|S14|=
2
2
,S11=S12=0
适当选取参考面,使 13= 14=0,则S13= S14=2/2,以上结果带入式(1),得魔T接头的散射矩阵为:
[S]魔T=2
2
0011
00-11
1-100
1100
(2)
由式(2)可得到魔T接头所具有的非常有趣而又可贵的性质:即完全匹配性、对应臂隔离性、均分性、和差性等。

(1)完全匹配性。

4个端口是完全匹配的,即S ii =0。

(2)对应臂离性。

E和H臂相互隔离,两侧臂之间也是相互隔离的。

(3)均分性。

当输出端口均接匹配负载时,由E 臂输入的功率,反相等幅从两个侧臂口输出,不进入H臂;由H臂输入的功率,同相等幅从两个侧臂端口输出,不进入E臂;由侧臂1输入的功率,同相等幅从E和H臂输出,不进入侧臂2端口;由侧臂2输入的功率,反相等幅从E和H臂输出,不进入侧臂1端口。

(4)和差特性。

当两侧臂同相输入时,H臂求和输出,E臂求差输出;当两侧臂反相输入时,H臂求差输出,E臂求和输出。

另外,其均分性即为3dB耦合特性,其耦合度可表示为:
C=10lg2
2
2
=20lg2
2
=3(dB)(3)由于波导魔T的独特性质,所以在微波技术特别是在雷达系统中得到了广泛的应用。

2 利用HFSS对波导魔T的仿真及其优化
设计
利用HFSS软件仿真设计波导魔T,首先根据设计者的原始数据利用计算机对其建模,设定变量螺钉和膜片,并给这些变量赋初值。

通过参数化分析,在一定范围内寻找较合适的数值,得到S参数和动静态电磁场分布图[4]。

根据参数化分析得出数据,选择合适的一组作为模型优化的初始值赋给变量,然后设置优化范围和优化目标进行优化。

具体的分析过程如下:
第一步:
画出波导魔T的三维几何模型(图2)。

第二步:定义X坐标轴上的端口为输入口,并定义中间螺钉长度(offsetl)和膜片位置(offset)为可变变量。

图2 波导魔T的三维几何模型
第三步:输入器件的原始数据,如对于X波段的魔T而言,包括:求解的起始频率8GH z,求解的终止频率10GHz,求解频率间隔0 05GH z,自适应分析的频率10GH z,自适应分析的次数3次,自适应分析时S参数的精度0 02。

第四步:分析。

分别设定变量offset(膜片),off setl(螺钉),然后由H FSS自动分析魔T的S参数。

如图3所示,图中曲线2和曲线1分别表示offset= 0uin,offsetl=0uin时,在各端口处的S13;曲线4和曲线3分别表示offset=0uin,offsetl=0uino,ffset= 200mil,offsetl=200mil时的S12;曲线5和曲线6分别表示offset=0uin,offsetl=0uino,ffset=200mil,
真空电子技术VA CU U M EL ECT RONIC S
offsetl=200mil 时的S 11。

第五步:取offset 和offsetl 为一定值时观察其静态场图。

当取offset=0 2,offsetl=0 2,创建魔T 的静态场图如图4
所示。

图3 魔T 的S
参数变化曲线
图4 魔T 的静态场图
第六步:激活场图。

通过激活波导魔T 的场图,可以动态地观察电磁场的分布情况。

frame 从1渐次变到10时,可取几组代表性数据进行观察,会发现利用UFSS 观察电磁场的变化直观形象,一目了然。

第七步:利用H FSS 中的Optimetrics 对魔T 进行自动优化设计。

输入相关参量,运行HFSS 中的自动优化分析程序。

当offsetl(螺钉长度)变化时,其S 参数随off setl 的变化曲线如图5所示。

第八步:优化设计以后,当膜片位置(offset)和螺钉长度(offsetl)分别变化时,可观察其静态场图的变化。

第九步:变量不同时,魔T 的损耗曲线如图6所示。

从以上过程可以看出,HFSS 软件用来分析、计算微波器件的内部电磁场问题,具有快捷、方便、直
观的优势,并且通过仿真设计,根据其S 参数、功率分配和损耗等特性对微波器件进行优化设计变得更加简单,所以HFSS 软件在微波器的仿真及优化设
计方面具有极大优势。

图5 S 参数随o fsetl
的变化曲线
图6 魔T 的损耗曲线
3 结束语
通过对波导魔T 的仿真设计及优化分析,可以看到HFSS 在微波元器件的设计方面有着极大的优
势。

今后的工作中充分利用Asoft HFSS 的强大功能来设计新型的、匹配的多端口微波元器件,期望能丰富微波技术的匹配理论,且对微波元器件的进一步开发应用提供有意的帮助。

参
考文献
[1]刘立国 微波实验指南 山东大学信息科学与工程学院
[2]李润旗,李国定 微波电路CAD 软件应用技术[M ] 北京:国防工业出版社,1996
[3]廖承恩 微波技术基础[M ] 西安:西安电子科技大学出版社,1994
[4]金建铭著,王建国译 电磁场有限元法[M ] 西安:西安电子科技大学出版社,1998
作者简介:屠秀平(1972-),女,山东德州科技职业学院讲
师,研究方向为微波元器件的设计。

电话:0534-*******
Email:tux iuping 12@163 com 。

收稿日期:2006-05-10
VA CU U M EL ECT RONI CS
真空电子技术。