帶隔板T形波導的仿真研究

章國慶++蔣開明

摘 要 本文介紹了帶隔板T形波導的數值計算方法和平面電路方法，在此基礎上利用HFSS仿真軟件建模分析，得出10GHz下使回波損耗最小的“最佳隔板”，并研究了不同功率分配比下最佳隔板的位置，該結論可為功率分配器的設計提供一定的依據。

關鍵詞 T形波導；隔板；HFSS仿真；功分比

中圖分類號：TN73 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）19-0067-02

T形波導常用于功率分配或合成中，經典的T形波導輸入端駐波比較大，功分比不易控制，故實際應用中長采用加載電抗元件的方法來匹配輸入端阻抗，并實現準確的功分比特性[1]。相比于常見的三角形和圓柱棒加載，隔板加載性能更加優越。本文利用HFSS研究了10GHz下的最佳隔板，并利用HFSS的優化功能得出了一些常用功分比下隔板的精確位置。

1 帶隔板T形波導常用數值分析方法

1.1 FDTD方法

該方法采用模塊法和PML激勵源，將T形波導分成5個子計算域，利用離散Fourier 變換，從時域電磁場波形提取了寬帶散射參數，得出了與平面電路法相似的結論[2]。

1.2 平面電路法

該方法采用短路邊界平面電路法對二維積分形式的波動方程進行數值求解，可求得各離散點的電壓和電流值。依據該理論，對加載隔板H-T接頭模型進行數值計算并給出等效電路模型，采用最小二乘法給出參數計算公式[1]。其等效電路模型如圖2所示，其結果與HFSS仿真結果相似。

圖1 帶隔板T形波導模型

圖2 帶隔板T形波導等效電路

2 最佳隔板

在無隔板情況下，直接將T形波導用于功分器，會產生很大的回波損耗，端口反射強烈且效率低。加載隔板的T形波導在一定程度上有效地解決了上述的問題。

不同的隔板厚度和長度會影響T形波導的性能，在10GHz的特定條件下，通過HFSS的優化功能分別找出了隔板最佳長度和厚度。由圖3可見，隨著隔板長度的不斷增大，回波損耗逐漸減小，在0.4英寸處達到最小值。故在此條件下繼續研究隔板厚度與回波損耗的關系曲線。由于仿真時隔板厚度的初始值設定為0.01英寸，所以根據圖4可以認為隔板的厚度越薄越好。因此在一般實際應用中都采用薄片作為隔板。在極限情況時變為無隔板，此時回波損耗又將變大。

圖3 10GHz下隔板長度與輸入端口回波損耗的關系

圖4 10GHz下隔板厚度與輸入端口回波損耗的關系

綜上所述，在T形波導作3dB功分器時，存在最佳隔板，使得其性能最優。

3 不同功分比的實現

一般情況下，T形波導用作3dB功分器，但在特殊情況下，仍需要實現各種不同比例的功率分配。利用前文提及的最佳隔板，改變隔板位置時，可以實現不同的功分比，且輸入端也可以做到較好的匹配。這是因為隔板的引入，改善了波導不連續性的高階模耦合特性，從而改善了輸入端口的駐波特性[1]。利用HFSS的優化功能，設定優化變量Offset后得到隔板位置與三端口輸出功率的關系，如圖5所示。

為節省優化時間，根據圖5可初步判定不同功率比下隔板所處的范圍。設定目標函數后仿真得到端口2和端口3達到不同功率比時，隔板的位置以及該處的回波損耗，如表1所示。

表1 隔板位置、功率比、端口1回波損耗間的關系

從表1可以看到，若2和3端口功率比較小時，輸出端回波損耗很小，可以做到較好的匹配。調節隔板的位置既能實現不同的功分比，也可以做到較好的輸入端匹配，但這種輸入端的匹配和功分比的實現是犧牲了2和3端口的駐波來實現的。綜上可知隔板在一定范圍內是一個很好的匹配和調節功分比的元件。

圖5 隔板位置變化與端口輸出功率的關系

4 小結

加載隔板T形波導常用于功分器設計，但隔板對其性能有很大影響。本文利用HFSS仿真軟件找到了10GHz下的最佳隔板，在此基礎上得出了隔板位置與三端口功率輸出的關系曲線，并具體優化了4個常用功分比下的隔板精確位置，能夠為功分器的設計提供一定的依據。

基金項目

上海海事大學科研基金項目（20120095）。

上海海事大學研究生創新基金項目（2014ycx009）。

參考文獻

[1]李龍，張玉，梁昌洪.加載隔板的H面T性能分析[J].西安電子科技大學學（自然科學版），2002，29（1）.

[2]胡福剛，褚慶昕.帶隔板H-T形波導接頭的FDTD分析[J].西安電子科技大學學報（自然科學版），2002，29（4）.

[3]Marcuvitz N.Waveguide Handbook[M].New York； McGraw-Hill Book Company， Inc， 1951：355-360.

[4]李明洋，劉敏.HFSS電磁仿真設計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2013：8-28.

[5]David M. Pozar.微波工程（第三版）[M].北京：電子工業出版社，2006：90-98.endprint