波导内不同长度的金属销钉的作用

波导内不同长度的金属销钉的作用

13208-2班 许嘉晨 2013201210

摘要：本文基于HFSS 仿真从场分布以及微波网络理论两个角度定性分析

了波导内插入不同长度金属销钉的作用，并给出了仿真结果。

关键词：BJ-32波导，金属销钉，C 参量，场分布

1 引言

在波导内插入金属销钉可以看作在一个二端口网络中并联一个电抗，随着销钉插入深度的不同将会等效出不同的电抗大小，研究此规律可以了解波导内插入不同长度金属销钉所起的不同作用，这些规律可以被利用于设计滤波器、阻抗匹配系统模块等方面。

2 理论分析

2.1 微波网络分析

二端口网络的ABCD 矩阵可用图 现实的总电压和总电流定义如下：

122122V A V B I I C V D I =+

=+ （1）

或写成矩阵形式为：

1212V V A B I C D I ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥

⎢⎥⎣

⎦⎣⎦⎣⎦ （2） 对于该问题的结构可以用图1的等效电路来表示：

图1.波导中插入销钉的等效电路

其ABCD 矩阵可表示为：

112123

31212

23

3111Z Z Z Z Z Z Z V V I Z I Z Z ⎡⎤+++

⎢⎥⎡⎤⎡⎤

⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦

⎣⎦+⎢⎥⎣⎦ （3）

注意到其C 参量为

3

1

Z ，可以直接近似的反应出销钉的阻抗的大小，又由于 211

21

2

121

1I I I C Z V I Z ==

=

= （4）

故可以直接由仿真软件HFSS 计算出阻抗矩阵，并直接用阻抗参数21Z 进行分析即可。

2.2场分布分析

销钉的不同插入长度将会等效出不同的电抗大小。当销钉插入的深度较少时，虽然有波导宽壁内表面上的电流流过销钉，并在其周围产生磁场，但其等效的电感量并不大，而销钉附近集中的电场却较强，即电场能量占优势，这时销钉的作用于电容膜片相似，它可以等效为一个电容，如图2所示；

图2.销钉的等效电容特性

当销钉插入深度增大，随着插入深度的增大，磁场能量逐渐增大，当旋进到一定 的深度时，磁场能量与电场能量达到平衡，螺钉的作用相当于电感和电容的串联 谐振，如图3所示：

图3.销钉的等效谐振特性

当销钉插入深度继续增大， 则磁场能量占优势，销钉的作用就相当于一个电 感，如图4所示。

图4.销钉的等效电感特性

由此可得，随着销钉长度的不断增加，其电抗特性将呈现“容性—谐振—感性”的变化规律。

3 仿真模型与结果

仿真所选波导为BJ-32(a=72.14mm ，b=34.04mm)，销钉的尺寸需要根据其工作的频率范围来确定。根据矩形波导截止频率计算公式：

c f （mn TM ）=c f （mn TE ）

=

（5）

可以计算出其单模工作的频率范围约为 2.079GHz —4.159GHz ，选择2.5GHz —3.8GHz 作为仿真的频率范围。经过对销钉长度和半径进行参数扫描和优化，选择效果较好的一组数据进行进一步分析。所选销钉尺寸为：4r mm =，28l mm =。得到最终模型如图5 ：

图5.仿真结构示意图

21S 参数扫频结果如图6 ：

图6.S21参数扫频结果图

在3.115GHz 处出现了一个谐振点，下文将在3.115GHz 频点处通过改变销钉的长度来验证理论分析结果。

微波网络参数分析：

经过仿真计算后将模型端口平移至销钉两侧较近的位置，如图7，以确定计算结果为销钉所在“薄层”的阻抗，这样得到的结果可以更加近似的表示销钉的阻抗。

图7.端口平移示意图

在10l mm =时，得260.73328.64328.64260.91j j Z j j --⎡⎤

=⎢⎥

--⎣⎦，其中213328.64Z j Z =-≈，此时销钉呈现容性；

在28l mm =时，得57.7240.190210.1902157.27j j Z j j -⎡⎤

=⎢⎥-⎣⎦，其中2130Z Z ≈≈，对应串联谐振状态；

当33l mm =时，得89.18934.63634.63688.902j j Z j j ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦，其中21334.636Z j Z =≈，此时销钉呈现感性。

场分布分析：

在10l mm =时，由图8可看出，相对而言电场能量占优，销钉呈现感性。

图8.销钉的等效电容场分布图

在28l mm =时，由图 可看出，此时电场与磁场能量可以比拟，根据上文可知，此时相当于一个串联谐振。

图9.销钉的等效谐振分布图

在33l mm =时，可以看出此时磁场能量占优，销钉呈现感性。

图10.销钉的等效电感场分布图

由以上场分布图可以看出，所得结论与理论分析和网络参数分析方法相吻合。

4 总结

根据上述仿真结果，可以看出场分布分析方法和网络参量分析方法得出的定性结论十分一致，得到了销钉长度变化对波导所起作用的规律。规律显示销钉在某一特定长度时呈现LC 串联谐振的状态；当销钉长度小于该值时，销钉呈现容性；当销钉长度大于该值时，销钉呈现感性。利用这个规律，可以用来设计滤波器或阻抗匹配模块。

5 参考文献

[1] 杨丽. 微波自动阻抗匹配系统的研究[D].电子科技大学, 2006.

[2] 杨颖.利用偏移半销钉结构设计带阻滤波器[A].成都:电子科技大学,2011.

[3] 王利斌.不同型号矩形波导在销钉匹配器中的应用[J].电子技术, 2008(7).

[4] David M.Pozar.微波工程(第三版).北京:电子工业出版社,2006.