同轴波导转换器的设计.docx
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同轴波导转换器的设计
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10385分类号:
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学士学位论文
同轴——波导转换器的设计
Designofcoaxialtowaveguidetransducer
作者姓名:
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研究方向:
电磁场与微波技术
所在学院:
信息科学与工程学院
论文提交日期:
二零一四年五月二十日
学位论文独创性声明
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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
Abstract
Coaxial-waveguidetransitionplaysanimportantroleinmicrowavesystem.Basedontheinfluenceofridgewaveguideandwaveguideladderexertedontransmissionperformanceofelectromagneticwaveinguidedwavesystem,thispaperdiscussedthesituationsofthesetwostructuresappliedinthe8-18GHzbroadbandcoaxial-waveguideconverterdesignation.Throughtheconversionofcoaxial-ridgewaveguide-rectangularwaveguide,andladderloadingofridgewaveguide,theeffectivenessofimpedancematchingiswellimproved,andthetransmissionofcoaxial-waveguideconverterishighlyadvanced.Impedancetransformationistoeliminatein-bandbadreflection,inordertoobtainagoodmatchingmicrowavedevices,widelyusedinmicrowavecircuitandantennafeedsystem.Itsstructureislargelydividedintostepwiseandgradualtype.Theformercanbebetterthanthelatterin-bandripplecoefficientandtheshorterlength.Thedesignofsteppedimpedanceconverter,mainlydividesintothetraditionaldesignmethodandoptimizationdesignmethod.Simulationresultsprovedtheeffectivenessofridgewaveguideandwaveguideladderindesigningcoaxial-waveguideconverters.TheVSWRofcoaxial-waveguidetransitiondesignedinthispaperislessthan1.25inthe8-18GHzoctavebandwidth,andthehighmodulusproducedisverysmall.
Keywords:
Coaxial-waveguidetransitionRidgewaveguideWaveguideladderimpedancetransformation
摘要I
AbstractII
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3
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13
2.3同轴—波导转换器的性能参数介绍16
2.3.1输入驻波比16
2.3.2频率范围16
2.3.3插入损耗16
2.3.4S参数17
2.3.5电压驻波比17
第3章同轴—波导转换器的仿真设计18
3.1HFSS软件的介绍18
3.2设计指标19
3.3各类同轴—波导转换器的优化设计19
3.3.1普通同轴-波导转换器19
3.3.2宽带同轴-脊波导转换器23
3.3.3优化后的同轴-脊波导转换器25
3.4各类同轴—波导转换器的性能比较28
第4章总结33
参考文献34
致谢36
附录37
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着名的两种螺旋天线。
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。
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。
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:
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:
由于含有
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以化简为:
利用
和
通过上面的六个方程可以求得四个横向场分量,如下所示:
其中,对
指的是截止波数。
是填充在波导中的材料的波数。
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
和
。
于是式(2.4)简化成:
在这种情况下,
,且传播常
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:
所以上式转化为
的二维波方程:
TE波的波阻抗和频率有关,表达式为:
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
,而
必须满足简化了的波方程(2.7)
偏微分方程(2.9)可以由分离变量法来求解,令
并把它代入到式(2.9)当中去,得到:
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
和
得到:
的通解可以写为
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
求出
和
:
从式(2.14a)和(2.14b)可以得出
的表达式
其中
是由式(2.13)中余下的常数A和C组成的任意振幅常数。
模的横向场分量可以求得为
传播常数是
可以看出
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:
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
出现在
模:
因此,
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
>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 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 因此它大于填充介质中的平面波波长 。 相速是 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 。 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: 其中,Y’0/Y0=b/b’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2.2.2TE10、TE20、TE30场分布及等效电路 表2.2.1TE10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, 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 其中λc=2a。 脊形波导的等效阻抗可写成类似的形式: 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。 2.2.3阶梯阻抗变换基本原理 在宽带同轴波导转换器的设计中,阻抗变换技术的选择非常重要。 阻抗变换是射频与微波器件设计的基本组成部分。 阻抗变换可以在以下几个方面获得好处: (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 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: 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 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 联立后得出: 其中: 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: 当 时是通过带中的最大损耗值,且此时 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变换的节数。 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 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: 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。 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。 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
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