带隔板T形波导的仿真研究

2014-11-27章国庆蒋开明

新媒体研究 2014年19期

关键词：隔板

章国庆++蒋开明

摘要本文介绍了带隔板T形波导的数值计算方法和平面电路方法，在此基础上利用HFSS仿真软件建模分析，得出10GHz下使回波损耗最小的“最佳隔板”，并研究了不同功率分配比下最佳隔板的位置，该结论可为功率分配器的设计提供一定的依据。

关键词 T形波导；隔板；HFSS仿真；功分比

中图分类号：TN73 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）19-0067-02

T形波导常用于功率分配或合成中，经典的T形波导输入端驻波比较大，功分比不易控制，故实际应用中长采用加载电抗元件的方法来匹配输入端阻抗，并实现准确的功分比特性[1]。相比于常见的三角形和圆柱棒加载，隔板加载性能更加优越。本文利用HFSS研究了10GHz下的最佳隔板，并利用HFSS的优化功能得出了一些常用功分比下隔板的精确位置。

1 带隔板T形波导常用数值分析方法

1.1 FDTD方法

该方法采用模块法和PML激励源，将T形波导分成5个子计算域，利用离散Fourier 变换，从时域电磁场波形提取了宽带散射参数，得出了与平面电路法相似的结论[2]。

1.2 平面电路法

该方法采用短路边界平面电路法对二维积分形式的波动方程进行数值求解，可求得各离散点的电压和电流值。依据该理论，对加载隔板H-T接头模型进行数值计算并给出等效电路模型，采用最小二乘法给出参数计算公式[1]。其等效电路模型如图2所示，其结果与HFSS仿真结果相似。

图1 带隔板T形波导模型

图2 带隔板T形波导等效电路

2 最佳隔板

在无隔板情况下，直接将T形波导用于功分器，会产生很大的回波损耗，端口反射强烈且效率低。加载隔板的T形波导在一定程度上有效地解决了上述的问题。

不同的隔板厚度和长度会影响T形波导的性能，在10GHz的特定条件下，通过HFSS的优化功能分别找出了隔板最佳长度和厚度。由图3可见，随着隔板长度的不断增大，回波损耗逐渐减小，在0.4英寸处达到最小值。故在此条件下继续研究隔板厚度与回波损耗的关系曲线。由于仿真时隔板厚度的初始值设定为0.01英寸，所以根据图4可以认为隔板的厚度越薄越好。因此在一般实际应用中都采用薄片作为隔板。在极限情况时变为无隔板，此时回波损耗又将变大。

图3 10GHz下隔板长度与输入端口回波损耗的关系

图4 10GHz下隔板厚度与输入端口回波损耗的关系

综上所述，在T形波导作3dB功分器时，存在最佳隔板，使得其性能最优。

3 不同功分比的实现

一般情况下，T形波导用作3dB功分器，但在特殊情况下，仍需要实现各种不同比例的功率分配。利用前文提及的最佳隔板，改变隔板位置时，可以实现不同的功分比，且输入端也可以做到较好的匹配。这是因为隔板的引入，改善了波导不连续性的高阶模耦合特性，从而改善了输入端口的驻波特性[1]。利用HFSS的优化功能，设定优化变量Offset后得到隔板位置与三端口输出功率的关系，如图5所示。

为节省优化时间，根据图5可初步判定不同功率比下隔板所处的范围。设定目标函数后仿真得到端口2和端口3达到不同功率比时，隔板的位置以及该处的回波损耗，如表1所示。

表1 隔板位置、功率比、端口1回波损耗间的关系

从表1可以看到，若2和3端口功率比较小时，输出端回波损耗很小，可以做到较好的匹配。调节隔板的位置既能实现不同的功分比，也可以做到较好的输入端匹配，但这种输入端的匹配和功分比的实现是牺牲了2和3端口的驻波来实现的。综上可知隔板在一定范围内是一个很好的匹配和调节功分比的元件。

图5 隔板位置变化与端口输出功率的关系

4 小结

加载隔板T形波导常用于功分器设计，但隔板对其性能有很大影响。本文利用HFSS仿真软件找到了10GHz下的最佳隔板，在此基础上得出了隔板位置与三端口功率输出的关系曲线，并具体优化了4个常用功分比下的隔板精确位置，能够为功分器的设计提供一定的依据。

基金项目

上海海事大学科研基金项目（20120095）。

上海海事大学研究生创新基金项目（2014ycx009）。

参考文献

[1]李龙，张玉，梁昌洪.加载隔板的H面T性能分析[J].西安电子科技大学学（自然科学版），2002，29（1）.

[2]胡福刚，褚庆昕.带隔板H-T形波导接头的FDTD分析[J].西安电子科技大学学报（自然科学版），2002，29（4）.