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设计内容:采用电磁仿真软件设计一款工作在 10GHz 频段的短缝波导耦合器。
 

具体要求:

中心工作频率 10GHz;

采用标准的三公分金属矩形波导作为导波结构;

仿真结果分析(3dB,6dB,9dB)各自单独分析。

 

本文设计并仿真了一款采用标准三公分金属矩形波导作为导波结构的定向耦合器,对耦合度分别为 3dB、6dB、9dB 的情况进行了设计,在设计中进行参量对比,仿真优化,并结合理论公式,最终得出仿真分析结果。

 

关键词:波导耦合器;短缝波导;矩形波导;耦合度;S 散射参数

 

一、引言

定向耦合器是一种用途极为广泛的四端口波导接头,如图 1 所示,它由主波导 1,2 和副波导 3,4 组成,当所有端口都端接特性阻抗上,这时端口 1,2 间功率能自由传输而没有反射,同时在端口 1,4 间或端口 2,3 间没有功率传输,端口 1,3 和端口 2,4 间存在耦合,其耦合度取决于耦合器结构。[1]

 


定向耦合器的特性可用耦合系数和方向性来表示。假定波在主波导中从端口 1 向端口 2 传播,其耦合系数和方向性分别定义为:

 


这里应当注意,端口 2,3,4 都是端接在它们的特性阻抗上的,耦合系数是主线与副线功率电平之比的量度,因此,若耦合系数已知,只要测量端口 3 的功率,就能确定端口 1 的输入功率,这个特性对微波功率的测量是很有意义的,方向性是主波导的前进行波仅仅耦合到副波导特定端口的好坏程度的量度,理想定向耦合器的方向性应当无穷大,因为端口 2,3 是完全匹配的,所以端口 4 的输出功率必须为零,实际上,一个良好的定向耦合器起方向性仅为 30 到 35dB。

 

定向耦合器有几种类型,单孔定向耦合器、双空定向耦合器、四孔定向耦合器、反极性耦合定向耦合器(Schwinger 耦合器)和 Bethe 孔定向耦合器,本文针对的是窄壁耦合的单孔定向耦合器。

 

二、单孔定向耦合器工作原理

图 2 中给出了它的结构简图和工作原理。在主副波导的公共窄壁上切去一段长度的壁,作为耦合缝隙,适当选择缝宽 (具体数值下文给出),使得输入端 1 理论上有一半的功率能耦合到 3 端口输出,即耦合度 C 近似为 3dB,在端口 3 处电场的相位滞后于端口 2 处电场的相位π/2,副波导中的端口 4 无输出或输出忽略不计,这种裂缝电桥又称为 3dB 电桥。

 

 

通过运用奇偶模的分析方法得出了耦合缝长度的计算公式,其公式如下:

 

 

但是在上述计算中由于忽略了结构不连续性的影响,因此实验值和理论值还是有差别的。在实际结构中,为改善匹配和加宽频带,可以在耦合区的中心线上(沿轴线方向)安置容性螺钉或感性螺杆。[2]另外,为了更有效地抑制高次模,还可以把耦合段的宽度稍微变窄一些,或在窄壁的内侧添加具有一定厚度的金属镶片,以使波导变窄些。采取这些措施后,耦合段的长度与采取措施前相比,会有变化。本文即选择在主副波导的两侧加上了金属台阶,可以有效地拓宽带宽,使耦合器性能提升。

 

下面我们将通过具体的仿真来说明加上台阶后对耦合器性能的影响。

 

三、仿真模型建立

运用 HFSS 电磁仿真软件,建立由两个三公分金属波导耦合而成的定向耦合器模型如图 3,在图中所标参量中,耦合器总长 80mm,矩形波导中宽边为 22.86mm,窄边为 10.16mm,波导壁厚度为 2mm,其余参数为待优化参量,其中耦合缝长为 l1,台阶的长度为 l2,宽度为 w1。其三视图及相关系数见图 4、5、6。

 

 

图 4 定向耦合器三视图 x-y 面

 

图 5 定向耦合器三视图 x-z 面

 

图 6 定向耦合器三视图 y-z 面

 

我们先对没有台阶的模型进行仿真,发现很难达到所需要的耦合度要求,并且仿真出的相对带宽很窄。如图 7 显示的是 3dB 定向耦合器的[S]散射参数中 S31 和 S21 的曲线,很明显,在满足中心频率点 10GHz 处为 3dB 的情况下,相对带宽较窄,达不到设计要求,所以我们决定在耦合器的两侧加上金属台阶,目的是改善耦合器的性能。下面对加台阶的模型进行仿真分析。
 

图 7 3dB 耦合器的 S21 和 S31 曲线(未加台阶)


四、仿真结果分析

4.1 3dB 耦合器仿真分析

首先我们要对耦合器的直通端和耦合段的 S 参数进行优化,使 S21 和 S31 尽可能的接近 3dB,优化算得耦合缝 1 的长度为 31.45mm。(图 8 和图 9)其中台阶长度 2 为 19.00mm,宽度 1 为 3mm。

 

图 8 S31 随耦合缝长变化曲线

 

图 9 S21 随耦合缝长变化曲线

 

对优化得出的结果进行仿真,仿真所得的 S21 和 S31 曲线如图 10,与图 7 相比相对带宽明显拓宽,性能大为改善,而且 S41 和 S11 在中心频率处超过了 20dB,隔离端性能良好。

 


图 10 3dB 耦合器的 S11/S41 曲线

 

图 11 3dB 耦合器的 S21/S31 曲线

 

仿真所得电磁场分布如图 12、图 13、图 14 和图 15 所示,作为对比,我们也仿真了没有加台阶的电磁场分布如图 16 和图 17。我们发现没有加台阶时,Port4 端仍有少量能量流出 .

 

图 12 3dB 耦合器电场分布 Mag_E

 

图 13 3dB 耦合器电场分布 Vector_E

 

图 14 3dB 耦合器磁场分布 Mag_H

 

图 15 3dB 耦合器磁场分布 Vector_H

 

图 16 3dB 耦合器电场分布 Mag_E(没有台阶)

 

图 17 3dB 耦合器磁场分布 Mag_H(没有台阶)
 

而在添加台阶后,Port4 端口几乎没有能量流出,图 18 为耦合度为 3dB 时的 S21、S31 相位差曲线,在 8.5GHz 到 10.5GHz 的范围内,相位差在 90 度,波动差为 1 度,符合设计要求。
 

图 18 3dB 耦合器 S21 和 S31 的相位差


4.2 6dB/9dB 耦合器仿真分析

为了进一步理解耦合缝长度对耦合度的影响,以及在构建模型时增加台阶给耦合器性能带来的变化,下面开始构建 6dB 耦合器和 9dB 耦合器。
 

它们的散射参数曲线分别如图 19 和图 20 所示。由于建模时都增加了台阶,使得它们在中心频率附近有很好的稳定性,相对带宽都得到了扩展。6dB 耦合器的 S31 为 6.0274dB,9dB 耦合器的 S31 为 9.0613dB,但是我们发现,弱耦合的情况下,耦合器的各项性能变差,如隔离性能已远不如 3dB 耦合器,这类耦合器多用于大功率耦合。
 

图 19 6dB 散射参数曲线分布

 

图 20 9dB 散射参数曲线分布

 

图 21 和图 22 分别给出了 6dB 耦合器和 9dB 耦合器模型内部的 Mag 电场分布情况,通过图形可以直观的感受到他们的耦合度较低,能量大部分从直通端流过。

 

 

通过优化,我们得到 6dB 和 9dB 的最佳耦合缝宽分别为 24.2mm 和 19. 2mm,而台阶的长度并没有严格遵守 l2=l1*0.6 的经验公式。另外,增加台阶后,耦合器的耦合缝宽也相应的减小。
 

五 结束语

短缝波导耦合器作为一种基本的耦合器器件,我们通过 HFSS 仿真软件对其进行的仿真和分析,熟悉了耦合器的工作原理,掌握了微波器件设计的基本方法,在此以后应继续加强对微波工程的学习和电磁仿真软件的使用,为以后合理设计复杂的微波器件做好相应的准备。
 

参考文献:

[1] S.Y. 利奥 微波器件和电路 . 科学出版社 .1987:116-117.

[2] 闫润卿,李英惠 微波技术基础(第三版). 北京理工大学出版社 .2004,9:308-310.

[3] David M.Pozar. 微波工程(第三版). 电子工业出版社 .2008,5:312-313.

[4] Louis W.Hendrick and Ralph Levy. Design of Waveguide Narrow-Wall Short-Slot Couplers[J].Transections on Microwave Theory and Techniques.2000:1771-177

[5] Shin-ichi Yamamoto, Jim Hirokawa and Makoto Ando Length Reduction of a Short-Slot Directional Coupler in a SinglRLayer Dielectric Substrate Waveguide by Removing Dielectric near the Side Walls of the Coupler.2004:2353-2356

[6] 沈致远 微波技术国防工业出版社 1980:174-182.