同轴波导转换器的设计

同轴波导转换器的设计 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 同轴波导转换器的设计 学校代码:10385 分类号: 学 号: 密 级: 学士学位论文 同轴——波导转换器的设计 Design of coaxial to waveguide transducer 作者姓名: 指导教师: 学 科: 研究方向: 电磁场与微波技术 所在学院: 信息科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 论文提交日期:二零一四年五月二十日 华侨大学学士学位论文 摘要 摘 要 同轴—波导转换器是微波系统中非常重要的元器件。基于脊波导 和波导阶梯对导播系统中电磁波传播性能的影响，本文探讨了这两种 结构应用在 8-18GHz的宽带同轴—波导转换器设计中的情况。通过 同轴—脊波导—矩形波导转换，并在脊波导上加载阶梯，很好地改善 了阻抗匹配效果，提高了同轴—波导转换器的传输性能。阻抗变换是 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 为了消除带内不良反射，以获得良好匹配的一种微波器件，广泛用于 微波电路和天线馈电系统中。其结构上大致分为阶梯式和渐变式。前 者能够比后者获得更好的带内波纹系数和更短的长度。对阶梯阻抗变 换器的设计，主要分为传统设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和优化设计方法。本文的仿真结 果证明脊波导和波导阶梯在设计同轴—波导转换器中的有效性，在 8-18GHz的倍频程带宽内驻波小于1.25，产生的高次模非常小。 关键词:同轴—波导转换 脊波导 波导阶梯阻抗变换 I Abstract Abstract Coaxial-waveguide transition plays an important role in microwave system.Based on the influence of ridge waveguide and waveguide ladder exerted on transmission performance of electromagnetic wave in guided wave system, this paper discussed the situations of these two structures applied in the 8-18GHz broadband coaxial-waveguide converter designation. Through the conversion of coaxial-ridge waveguide-rectangular waveguide, and ladder loading of ridge waveguide, the effectiveness of impedance matching is well improved,and the transmission of coaxial-waveguide converter is highly advanced. Impedance transformation is to eliminate in-band bad reflection, in order to obtain a good matching microwave devices, widely used in microwave circuit and antenna feed system. Its structure is —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ largely divided into stepwise and gradual type. The former can be better than the latter in-band ripple coefficient and the shorter length. The design of stepped impedance converter, mainly divides into the traditional design method and optimization design method.Simulation results proved the effectiveness of ridge waveguide and waveguide ladder in designing coaxial- waveguide converters.The VSWR of coaxial-waveguide transition designed in this paper is less than 1.25 in the 8-18 GHz octave bandwidth, and the high modulus produced is very small. Key words:Coaxial-waveguide transition Ridge waveguide Waveguide ladder impedance transformation II 目录 目 录 摘 要 .............................................................. I Abstract ............................................................ II 第1章 绪论 ......................................................... 1 1.1 同轴—波导转换器的设计背景 .................................... 1 1.2 国内外研究动态 ................................................ 2 1.3 论文的研究 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 和创新 .......................................... 3 1.3.1 论文的研究目地和意义 ...................................... 3 1.3.2 论文的主要工作和创新 ...................................... 3 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 第2章 同轴—波导转换器理论分析 ..................................... 4 2.1 同轴—波导转换器的介绍 ........................................ 4 2.2 同轴—波导转换器的原理 ........................................ 4 2.2.1 波导的设计原理 ............................................ 4 2.2.2 脊型波导器件的设计原理与优势 ............................. 10 2.2.3 阶梯阻抗变换基本原理 ..................................... 14 2.3 同轴—波导转换器的性能参数介绍 ............................... 17 2.3.1 输入驻波比 ............................................... 17 2.3.2 频率范围 ................................................. 17 2.3.3 插入损耗 ................................................. 17 2.3.4 S参数 ................................................... 17 2.3.5 电压驻波比 ............................................... 18 第3章 同轴—波导转换器的仿真设计 .................................. 19 3.1 HFSS 软件的介绍 .............................................. 19 3.2 设计指标 ..................................................... 20 3.3 各类同轴—波导转换器的优化设计 ............................... 20 3.3.1 普通同轴,波导转换器 ..................................... 20 3.3.2 宽带同轴,脊波导转换器 ................................... 24 3.3.3 优化后的同轴,脊波导转换器 ............................... 26 III 华侨大学学士学位论文 3.4各类同轴—波导转换器的性能比较 ................................ 28 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 第4章 总结 ......................................................... 35 参考文献 ............................................................ 36 致 谢 .............................................................. 38 附录 ................................................................ 39 IV 第1章 绪论 第1章 绪论 1.1 同轴—波导转换器的设计背景 在现代卫星通讯、干扰与抗干扰等高科技领域，高频率、宽频带 电子系统的发展日新月异。在这些电子系统的研制过程中，基于波导 结构的天馈系统的实现至关重要，它们一般都以波导作为输入/输出 端口，而实际工程中的馈电电缆或常用测量仪器如矢量网络分析仪、 频谱分析仪、功率放大器等，则大多以50Ω/75Ω同轴线作为输入/ 输出端口，因此高性能的宽带同轴,波导转换器成为保证电子系统正 常工作的关键部件之一。为适应高频宽带的迫切需求，需要着重考虑 两个方面来改进同轴,波导转换器的结构:首先利用金属脊加载均匀 波导，可降低端面特性阻抗并展宽工作频带;其次，需要改进同轴线 和波导传输线的连接方法。例如，采用多阶阻抗变换、同轴探针与金 属脊垂直相交的连接方法，研制用于10kW功率测试的同轴,波导转 换器，可得到700MHz到2500MHz的工作带宽;采用脊和同轴探针 平行放置并分别进行阻抗变换、探针尾部折向与脊相连的方法，可得 2600MHz到3700MHz的带宽;采用宽壁对称加载双脊的方法可得到 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 覆盖Ka波段的仿真工作频带;用直接接触式连接可得到3:1的带宽，但插入损耗较大;若采用波导窄壁加载双脊、圆盘形探针尾部、非接触式的连接方法，虽可获得较宽的工作频带，但其结构过于复杂，加工精度要求较高。若要兼顾转换器结构的简单性和宽频带的工作特性，则需进一步研究始对UWB技术进行验证。2002年2月，FCC批准了UWB技术用于民用，UWB技术发展慢的原因主要有:在1994年以前主要限于军方使用，限制了第三方开发支持UWB的软件和硬件;由于UWB使用许多专用频段，FCC对UWB技术的批准进展缓慢;UWB带来的干扰问题也阻碍了UWB的发展步伐，而且，由于UWB技术可能取代现在使用的所有无线技术，包括PAN，WLAN和无线WAN，因此，许多公司会抵制该技术的商用。虽然如此，在此期间，UWB天线还是取得了很大的发展。1941年，Stratton和Chu提出了类球体天线。是通过直接求解Maxwell方程得到该天线的辐射性能，但是类球体天线的分析方法不能应用到任意形状的天线。1943年，Schelkunoff提出了双锥天线。它可以简单的利用Maxwell方程求解。该分析方法可以应用到许多其他形状的天线中，同时给出这些天线的阻抗特性的解析 1 华侨大学学士学位论文 公式。如今，双锥天线和它的变形天线如圆锥形天线、蝶形天线等仍然被广泛应用到UWB系统中。1947年，在哈佛大学的美国辐射科学实验室正式规定了UWB天线的定义及概念。这期间也提出了许—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 多UWB天线，例如水滴形天线、套筒天线、梯形天线等。50年代，提出了典型的非频变天线——螺旋天线。其中等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线是最著名的两种螺旋天线。1979年，Gibson提出了一种按指数规律渐变的槽线天线，它是一些具有非周期结构连续逐渐变化的天线。理论上，它有较大的带宽，这种天线是一种高增益、线极化，是具有随频率变化恒定增益的天线。1982年，R. H. Duhamel发明了正弦天线，它结构紧凑、低轮廓而且频带宽。它比螺旋天线要复杂，但它却可以提供相互正交的双线性极化。所以，它可以作为极化分集天线或同时进行发送/接收操作天线。自1992以来，发明了许多种单极子盘片天线。盘片的形状有圆形、椭圆形和梯形等，他们用简单的结构提供了非常宽的带宽。辐射单元被固定在一个矩形的接地板上，并且用同轴线馈电源。单极子盘片天线是UWB天线中比较满意的天线。1999年，发明了四面天线。尽管它可能没有其他天线那么宽的带宽，但却有单向辐射、双线性极化和低轮廓等独特的优点。国内大学在超宽带天线设计和理论研究领域中也作出了许多的贡献。 1.2 国内外研究动态 在国内，微波领域的波导—同轴转换器有所发展,电气性能虽然没有国外的优良，但可广泛地应用在各种雷达、精密制导、电子对抗等系统以及各个微波频段的扫频测量装置中。随着国外毫米波技术的迅速发展和军事上的需要，近几年正在开展同轴系统和元件的研制，从而亦开始研制开发如此配套和试验的各种转接元件，如8mm波导-同轴转换器。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 在国外，各种无源的波导、同轴、波导同轴转接等器件在微波、毫米波领域中起着至关重要的作用。毫米波技术尤其毫米波同轴技术的发展，进一步推动各种元件，特别是波导同轴转接器件的发展，从而对这些器件的性能要求更高。专家们在研制该产品的过程中，采用了模拟新技术和计算机辅助设计。以前在微波领域、元件的设计和计算基本采用理论和实验相结合的方法，因此运用麦克斯韦方程组只能得到部分结果。大量的计算完全采用静态或准静态的近似法来完成。但随着频率的增大和元件的小型化，使设计变得越来越复杂，再 2 第1章 绪论 根据原来的经验试凑法要想得到良好性能的元器件是相当困难的。鉴于此,Ansoft公司和HP公司的专家们共同研究、设计和制造了HP高频系统模拟电子计算机，借助该计算机，微波工程即可以研究和了解被制造物体内部的电压、电流以及场结构，从而获得较好性能的几何形状和尺寸。波导-同轴转换器在微波段尺寸较大,比较容易试制，因此HP公司首先在微波频段应用高频模拟计算机对3D(即X波段)波导—同轴转换器进行模拟和制造。在模拟过程中，由于该元件的对称性，只需把整个元件的半个儿何图形送入模拟计算机迸行模拟、计算,就能得到合理的尺寸。整个模拟和计算过程所花的时间不到1h，大大缩短了设计周期。 1.3 论文的研究内容和创新 1.3.1 论文的研究目地和意义 本文详细阐述了多过渡段结构宽带同轴,波导转换器的研制，在—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 8,18GHz上插入损耗小于1dB，回波损耗小于-15dB，个别频率点以及边界频率附近损耗稍大，但可满足一般宽带测试的要求。该同轴,波导转换器结构简单，机械加工要求不高，可用于高频宽带器件及天线的测试及馈电。 1.3.2 论文的主要工作和创新 文正是介绍了这种宽带同轴-矩形波导转接头的原理和设计方法，结合经验和计算机辅助设计来设计这种转接头，既不浪费材料，又大大缩短了设计周期。根据这种方法设计的L波段同轴—矩形波导转接头，不需要多级转换、结构紧凑、外形尺寸小、加工方便、装卸容易。 3 华侨大学学士学位论文 第2章 同轴—波导转换器理论分析 2.1 同轴—波导转换器的介绍 同轴—矩形波导转换器是同轴线(TEM模)到矩形波导(TE模)的转换器。它的常用方法是接换接头。同轴线的外导体与矩形波导的宽壁连在一起，内导体的延伸部分(探针)插入波导中，形成一个小辐射天线，在波导中激励出TE模式的电磁波。为了改善匹配性能，可适当调节探针的插入深度，和探针的放置位置。或者可以将探针用介质套筒套起来，对于这种情况，目前尚无完整的定量分析， 但可定性地说，介质套降低了波导的等效阻抗，减少了阻抗对频率变化的敏感性，从而展宽了频带。采用这种装置，在一定的工作频带内，驻波比可小于1.25。但是，加了介质套筒后，会降低转换器的功率容量，因此这—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 种装置多用于功率较低的情况。 除了上述的型式外，同轴—矩形波导转换器还有多种多样的结构型式，采用不同结构型式的目的无非是两个:展宽频带和提高功率容量。 2.2 同轴—波导转换器的原理 2.2.1 波导的设计原理 亥维塞在1893年最早提出过电磁波在封闭的空管中传播，到了1897年瑞利爵士从数学上证明了波在波导中传播是可能的，无论横截面是圆还是矩形的。瑞利猜测可能同时有无穷多个TE和TM模式,而且存在截止频率，但在当时没有能够实验验证。此后波导的研究被搁置，直到1932年AT&T公司的在实验的基础上发表了一篇有关波导的论文。矩形波导是最早用于传输微波信号的传输线类型之一。其应用频率范围从1GHz到超过220GHz,主要应用类型为祸合器、检波器、隔离器、衰减器，作为滤波器应用的比较少见。 矩形波导可以传播TM模和TE模，但不能传播TEM波，因为它只有一个导体。下面主要介绍TE模的情况。 矩形波导是截面形状为矩形的单根金属管构成的波导传输线，如图2.1.1所示，a和b表示波导宽边和窄边的内壁尺寸。其特征是具有平行于z轴的导体边界。 4 第2章 同轴-波导转换器理论分析 此结构假定在z方向是均匀且无限长的。 图2.2.1 波导的几何结构 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 矩形波导电场和磁场可以表示为: E(x,y,z)? H(x,y,z)?Eexxx?Eyey?Ezez?Hyey?Hzez(2.1a) (2.1b) Hex 假设传输线或者波导区域是无源的,那么麦克斯韦方程可写成: ??E??j??H ??H?j??E (2.2a) (2.2b)由于含有e 以化简为: ?j?z一声随z的变化关系,所以以上每个矢量方程式的三个分量可 5 华侨大学学士学位论文 ?z?y?j??y?x?Z?y?j??Hy?x ?j? E y ??j??Hx??j??Hy (2.3a)(2.3b)(2.3c)(2.3d)(2.3e)(2.3f) Ex? ? ?z?x ?x?y ??j??Hz y —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ?j? H ? ?j??Ex ?j??Ey H ? x ?x?x ?x?y ?j??Ez 利用EZ和Hz通过上面的六个方程可以求得四个横向场分量,如 下所示: Hx?Hy?EE 2 j kkk j 2c 2 (??2 c —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ?z?y?z?x?x ???? ?z?x?z?y?z?y?z?x ))) (2.4a)(2.4b) ?j 2c (??(? x ? ?j 2c ?z?z?y ?????? (2.4c)(2.4d) 是填充在波导中的材料的波 y ? 2 k (??) 2? —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 其中,对kc?k??指的是截止波数。k? ? 数。下面将这些结果应用到TE模当中来进行分析。 横电波(TE)，也称为H波。它的特征是EZ?0和Hz?0。于是式(2.4) 简化成: 6 第2章 同轴-波导转换器理论分析 ?j??z Hx?2?x k c (2.5a)(2.5b)(2.5c)(2.5d) 2 2 ?j??z Hy?2?y k c ?j???z Ex?2?y k c —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ Ey? j???z 2 k?x c 在这种情况下,kc?0，且传播常??k 2 ?kc一般而言是频率和传输线或波 导几何结构的函数。为了应用式(2.5)，必须从亥姆霍兹方程推导 出Hz: ( ?x 2 ?2 ?y 2 ?2 ?k)H?z 2 2 z ?0(2.6) —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 所以上式转化为hz的二维波方程: ( ?x 2 ?2 ?k)h?y 2 2 c 2 z ?0 (2.7) TE波的波阻抗和频率有关，表达式为: Z TE ? H xy ? ?EH y —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ? x ??k? ??? (2.8) 如图2.2.1中所示的波导，假定其中填充有介电常数为?和磁导率 为?的材料。取波导的宽边沿x轴，所以有a>b。 TE模场的特征是EZ?0，而Hz必须满足简化了的波方程(2.7) ( ?x 2 ?2 ?k)h(x,y)?0?y 2 2 c z 2 (2.9) 7 华侨大学学士学位论文 偏微分方程(2.9)可以由分离变量法来求解,令 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ h(x,y)?X(x)Y(y) z (2.10) 并把它代入到式(2.9)当中去，得到: 1X dx 2 X 2 1?Y Y?kdy 2 2 2c ?0(2.11) 根据通常的分离变量理论，式(2.11)中的每一项必等于一个常数， 于是定义分离常数kx和ky,得到: 2 X 22 dx ?kxX?0?kyY?02 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2 22 2 (2.12a)(2.12b) (2.12c) d 2 Y y kx?ky?kc h的通解可以写为 z h(x,y)?(Acosk z x x?Bsinkxx)(Ccoskyy?Dsinkyy) (2.13) 为了计算式(3.13)中的常数，必须把边界条件应用于波导壁上的电场切向分量。用hz求出 ?z?x 和 ?z ?y —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ : ?z?x?z?y ?? ?j?? kk 2c kk y (Acoskxx?Bsinkxx)(?Csinkyy?Dcoskyy)(Asinkxx?Bcoskxx)(?Ccoskyy?Dsinky y) (2.14a)(2.14b) ?j?? 2c x 从式(2.14a)和(2.14b)可以得出Hz的表达式 8 第2章 同轴-波导转换器理论分析 Hz(x,y,z)?Amncos m?xn?y?j?z cosabe (2.15) —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 其中Amn是由式(2.13)中余下的常数A和C组成的任意振幅常数。 TE mn 模的横向场分量可以求得为 Ej??n? ?xn?y?jx? k 2c b Amncos masin?zbeE?j??n? m?xn?y?jy? k 2c a Amnsin acos?z be Hj?m?m?xn?y?j?z x?k2sincosec aAmnabHj?n? m?xn?y?j?z —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ y? k 2mncos c b Aasinbe 传播常数是 22 ?? k 2 ?k2 k 2 ??? m??c? ?a?????n?? ?b?? 可以看出 22 k?k?m??c? ??a?????n???b?? —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 对应于传播模时，?是实数。 于是每个模(m和n的组合)具有下式给出的截止频率: 22 fc c ? ? 1?mn 2??m??2??a?????n???b?? 9 (2.16a)(2.16b) (2.16c)(2.16d) (2.17) (2.18) (2.19) 华侨大学学士学位论文 截止频率最低的模式通常称为基模;因为已经a>b，所以最低 的fc出现在 TE10模: fc?1 2a??(2.20) 10 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 因此，TE10模是TE模的基模，它也是矩形波导的基模。 在给定的工作频率f下,只有fc<f的模能够传播;而fc>f的模将有一个虚数 ?或者实数?，这意味着所有的场分量都将随距离激励源的距离的增加而指数衰减。这样的模称为截止模或消逝模。 从式(2.8)可知,联系横向电场和磁场的波阻抗是 ZTE?HX y?X?Hy??k????(2.21) 其中?是波导填充材料的本征阻抗。于是,当?为实数时波阻抗是实数，当?为虚数时，波阻抗是虚数 导波波长等于 ?g?2???2???k(2.22) 因此它大于填充介质中的平面波波长?。相速是 vp?????1/???k(2.23) 它大于填充介质中的光速??。 2.2.2 脊型波导器件的设计原理与优势 矩形波导中插入了探针，并在宽壁上开孔，这在波导同轴转换处引入了电抗，造成波的反射，使得波导与同轴线的阻抗失配加剧。本文采用同轴—脊波 10 第2章 同轴-波导转换器理论分析 导矩形波导的转换。 假定脊形波导中传输的是TE波，利用等效横向传输线法，把截止时电磁波在二窄边之间来回反射，看作是电磁波在横向传输线产生—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 振荡。若脊形波导的长度远大于工作波长，则横向来回振荡的电磁波就可认为是TEM 波。从振荡条件导出的谐振波长，就是脊形波导的截止波长?c。 图2.2.1 双脊波导及其等效电路 以此理论来分析双脊波导，可以把它看作横向谐振线。由于谐振时传输线任何参考面总的电纳应该为零，以不连续处 T 作为参考面，研究其谐振条件。此处的总电纳由三部分构成:第一，等效导纳为 Y0，长度为(a-a’)/2 的终端短路传输线的输入电纳;第二，T 参考面左面的复合传输线输入电纳;第三，参考面T处由于不连续性产生的电纳。在计算第二部分的电纳时，作如下简化:从 TE波的电场分布来看，对奇模(n=奇数)，波导宽边的中点是电波腹，即等效电压的波腹，从中点向左看，相当于开路，因此，参考面 T 左面的复合传输线输入纳就是等效导纳为Y’0长度为a’/2 的终端开路传输线的输入导纳;对偶模(n=偶数)，波导宽边中点是电场和等效电压的波节，因此参考面T左面复合传输线的输入电纳是等效阻抗为 Y’0长度为 a’/2的终端短路传输线的输入导纳。图2.2.2 给出了 TE10、TE20和 TE30波在波导截面上的电场分布以及相应的等效电路，其横向谐振条件如下: 11 华侨大学学士学位论文 tg?Y? ?ctgY0000 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ a'? c B YY ?ctg?ctg ? ? (a?a')?0 c a'? c B (a?a')?0 c 其中，Y’0/Y0 =b/b’，B/Y0是突变面 T 处的归一化电纳，它可由脊形波导横截面尺寸决定。可以利用MATLAB 来求解上述超越方程，表2.2.1给出了 TE10在 b/a=0.5 的双脊波导中的截止波长。表中λc/a 值作为 a’/a 值的函数列出，而 b’/b 作为参数。 图2.2.2 TE10、TE20、TE30场分布及等效电路 表2.2.1 TE10在 b/a=0.5 的双脊波导中的截止波长 从表2.2.1 可以看出，对主模 TE10波，λc/a 值均大于2。而同样尺寸矩形波导 TE10波的λc/a=2，因此脊形波导的截止波长一般比—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 同样的矩形波导的大， 12 第2章 同轴-波导转换器理论分析 即脊波导的单模工作带宽要大于同样的矩形波导。 而矩形波导的等效阻抗为 Ze?baZw?ba0? ?? 2????????c? 其中λc=2a。脊形波导的等效阻抗可写成类似的形式: Ze1?b? 1??0a1????????c?2 a1是脊形波导的等效宽边，λc>2a 是脊形波导的截止波长。这说明脊形波导(对TE10波而言)的等效阻抗降低。同时由于脊形波导的等效窄边也比对应的矩形波导的窄边小，这也使等效阻抗变小。由以上分析可知脊波导与相同尺寸的矩形波导相比主要有以下优点:第一，主模 TE10波的截止波长较长，因此如果工作波长相同，波导尺寸可以缩小;第二，TE10波和其他高次模截止波长相隔较远，因此单模工作频带较宽;第三，等效阻抗较低，因此易与低阻抗的同轴线及微带线匹配。脊波导到矩形波导的转换，可以选择阶梯过渡、直线式过渡和指数式过渡，其目的是减少回波反射，使驻波减小。 相比矩形波导,脊型波导的频带更宽。参考相关文献可以发现,在一般情况下矩形波导的工作频带不到一个倍频程,然而脊型波导的有效工作频带可以达到几个倍频程。这是由于脊波导的主模TE10。的—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 截止波长比矩形波导的TE10模的截止波长要长,而脊波导TE20及其他的高次模的截止波长却比矩形波导TE20及其他的高次模的截止波长短,故而脊型波导在主模TE10模式下工作的频带较宽。 然而可进行超宽带滤波的脊型波导器件较可进行超宽带滤波的矩形波导器 件的功率容量小,更为重要的是,衰减较大,如何尽量的减小衰减取得更好的驻波就成为了脊波导滤波器件设计过程当中的重要一环。阻抗渐变线的加入对于脊 波导滤波器件的阻抗匹配至关重要。 13 华侨大学学士学位论文 2.2.3 阶梯阻抗变换基本原理 (a)从源到器件、从器件到负载或器件之间功率传输最大。 (b)提高接收机灵敏度。 (c)减小功率分配网络幅相不平衡度。 (d)获得放大器理想的增益、输出功率、效率和动态范围。 (e)减小馈线中的功率损耗。 用来匹配两个给定阻抗的匹配网络有很多种，选择匹配网络时需考虑的最重要的因素有:(a)复杂性，(b)带宽，(c)频响，(d)实现的难易程度。 阻抗变换按应用可分为窄带阻抗变换和宽带阻抗变换。窄带阻抗变换技术在点频上提供了完美的阻抗匹配，基于偏离设计频率容许的反射系数，定义匹配网络的带宽。 宽带阻抗变换技术多采用少量级—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 联网络实现阻抗渐变变换。 此类阻抗变换器一般分为多阶梯阻抗变换器均匀阻抗变换器)和渐变线阻抗变换器 (非均匀阻抗变换器)。 因为适当的分段阶梯阻抗变换器比之同长度的线 性的渐变过渡或其它形状的渐变过渡器具有较好的匹配性能。 所以，本文采用了切比雪夫式阶梯变换形式。 图2.2.3 阶梯型阻抗变换器 由于适当的分段阶梯型阻抗变换器，比之同长度的线性的渐变过渡或其它形状的渐变变换器具有较好的匹配性能，因此阻抗变换器采用阶梯变换形式。 图2.2.4示出均匀阻抗变换器及其输入端的电压驻波比的变化曲线。 14 第2章 同轴-波导转换器理论分析 图2.2.4 均匀阻抗变换器的频率特性曲线 取波导波长的倒数 1/ λg作为自变数， 工作频率从 f1到 f2，f1和 f2则分别是 λg= λg1和 λg2时的频率。现定义四分之一波长变换器的相对带宽为: wq?2(?g1??g2)/(?g1??g2) 其中λg1及λg2分别时最长和最短的工作波长，此变换器每节的长度 L 则取中心频率时的波导波长的四分之一。 即 L??g0 4???2(?g1 g1g2)g2 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 工作频率的中心频率被定义为波导波长为λg0时的工作频率。 对于无色散线，则 λg=λ，即波导波长与工作波长相同。 由串接的矩阵合成法可得阻抗变换器整体的传输方程为: 现引入介入功率损耗比 P0/PL,则 ?2?0? PL 15 华侨大学学士学位论文 联立后得出: P 其中: 0?1?Q2n(cos?) L n 是等长的传输线的节的数目 Tn(x)是 n 阶的切比雪夫第一种多项式 插入损耗: A?10lgP0?10lg[1??(?)] L (R?1)2 当?(?)??4R1???2?1?Tn???0??r时是通过带中的最大损耗值，且此时 ? 变换的节数。 0?si?w4q 根据预给的阻抗比 R 及所要达到反射系数的指标可计算所需的切比雪夫 切比雪夫变换中每一阶特性阻抗的计算，可通过对每一阶反射系数的求解来获得，当每个阻抗跳跃处的两边阻抗相差不大时,则 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ????ZZi i ii?1i?1?1lni2Zi?1(2.24) 由于波导在阶梯变换处将产生反射，因此不能应用波阻抗来处理阶梯波导的匹配问题，在此我们采用功率—电流形式定义的波导的等效阻抗，如下: Ze??2b? 2(P?1)8a?(?/2a)(2.25) 由(2.24)的公式求出阶梯波导每一节的特性阻抗，然后由(2.25)式可得到阶梯波导每一节的窄边尺寸。 16 第2章 同轴-波导转换器理论分析 2.3 同轴—波导转换器的性能参数介绍 2.3.1 输入驻波比 驻波:终端不匹配的传输线上各点的电压和电流由入射波和反射波叠加而形成驻波。传输线上波腹处电压振幅和波节点电压振幅之比为电压驻波比，用 ρ表示，输入驻波比越小越好。 ??1? 1?S11 11 2.3.2 频率范围 这是各种射频/微波电路的工作前提，功分器的设计结构与工作—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 频率密切相 关，必须首先明确分配器的工作频率，才能进行设计。 2.3.3 插入损耗 输入输出间的插入损耗是由于传输线(如微带线)的介质或导体不理想等因素所带来的损耗，其计算公式为所有的路数的输出功率之和与输入功率的比值，而分配损耗为其中一路输出功率与输入功率的比。 (dB)?10lg( 2.3.4 S参数 1) N S 参数是与电压驻波比(VSWR)直接相关的反射系数。传输系数通常用来表示增益或衰减。S 参数从功率的角度表达电路的输入和输出，因此可以用来度量沿50欧姆传输线电路元件的传输功率和反射功率。S 参数通过将电路端接系统的实际线阻来测量，它是一个具有幅度和相位信息的矢量。S11 、S22 为反射功率和入射功率之比，两者同反射系数?一样，在 Smith 圆图中得到广泛应用，因此，任意两端口器件的输入、输出参数及其对的特征阻抗可以从极坐标图中提取。常见的S 参数以dB表达，见下表: 17 华侨大学学士学位论文 表2.3.1 S参数 2.3.5 电压驻波比 驻波比(SWR)又称电压驻波比(VSWR)波传递从甲介质传导到乙介质,会由于介质不同，波的能量会有一部分被反射。这种被反射的波—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 与入射波叠加的后形成的波称为驻波，这是基本的物理原理。在电磁波有同样的特性，电波在甲组件传导到乙组件，由于阻抗特性的不同，一部分电磁波的能量被反射回来,我们常称此现象为阻抗不匹配。驻波比,一般指的就是电压驻波比,是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。理想的比例为 1:1 ，即输入阻抗等于传输线的特性阻抗,但几乎不可能达到。 VSWR 1.25:1 反射功率1.14 % VSWR 1.5:1 反射功率4.06 % VSWR 1.75:1 反射功率7.53 % 由上可知，驻波比越大，反射功率越高，也就是阻抗不匹配。 18 第3章 同轴-波导转换器的仿真设计 第3章 同轴—波导转换器的仿真设计 3.1 HFSS 软件的介绍 HFSS(High Frequency Simulator Structure)是美国Ansoft公司开发的全波三维电磁仿真软件，该软件采用有限元法，计算结果准确可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。HFSS 采用标准的 Windows 图形用户界面，简洁直观;自动化的设计流程，易学易用;稳重成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。使用 HFSS，用户只需要创建或导入设计模型，指定模型材料属性，正确分配模型的边界条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算输出用户需要的设计结果。HFSS 具有准确的场仿真器，强大的电性能分析能力和后处理—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 功能可以用于分析、计算并显示下列参数:S、Y、Z 等参数矩阵;电压驻波比)VSWR ;端口阻抗和传播常数;电磁场分布和电流分布;谐振频率、品质系数 Q;天线辐射方向图和各种天线参数，如增益、方向性、波束宽度等;比收收率(SAR);雷达反射截面(RCS)。 经过二十多年的发展，现今 HFSS 以其无与伦比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、稳定成熟的自适应网格剖分技术，已经成为三维电磁仿真设计的首选工具和行业标准，被广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师高效，地设计各种微波/高频无源器件。借助于 HFSS，能够有效地降低设计成本，缩短设计周期，增强企业的竞争力。HFSS 的具体应用包括以下 8 个方面: 1(射频和微波无源器件的设计 2(天线、天线阵列的设计 3(高速数字信号完整性分析 4(EMC/EMI问题分析 5(电真空器件设计 6(目标特性研究和RCS仿真 7(计算SAR 19 华侨大学学士学位论文 3.2 设计指标 在8,18GHz频段下利用HFSS仿真软件设计和仿真，仿真结果插—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 入损耗小于-15dB，最大驻波比小于1.25。这具有频带宽、插损低、驻波小等优点。 3.3 各类同轴—波导转换器的优化设计 3.3.1 普通同轴,波导转换器 此设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 采用标准矩形波导WR-75(EIA-国际标准)。矩形波导宽a=19.05mm，矩形波导高b=9.525mm。其主模频率范围为 ——————————————————————————————————————