摘 要:匹配問題在微波技術(shù)中極其重要,也是微波系統(tǒng)中一個很重要的環(huán)節(jié)。利用三銷釘匹配結(jié)構(gòu)對連接在微波系統(tǒng)中的矩形波導(如BJ-26和BJ-22型)的匹配問題進行了研究和比較。將不同的銷釘插入深度、端口反射系數(shù)、等效輸入阻抗以及此時的矩形波導型號這些數(shù)據(jù)聯(lián)系起來,形成一個對應關(guān)系。在微波系統(tǒng)中,調(diào)整銷釘位置到固定位置可以對接有相同負載的不同型號的矩形波導實現(xiàn)阻抗匹配。
關(guān)鍵詞:匹配;矩形波導;反射系數(shù);等效阻抗
中圖分類號:TP79文獻標識碼:B
文章編號:1004-373X(2008)07-174-02
Application of Different Types of Rectangular Waveguide in the Dowels Matching Unit
WANG Libin,LIAO Xiaoli,LIU Hua
(Automatic Engineering College,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China)
Abstract:The matching is not only an important part in microwave technique,but also a significant aspect in the microwave system.In this paper,it researches and compares the matching of different types of rectangular waveguides on the basis of the three dowels matching unit.The purpose is to establish a coincidence relation by systemizing these data such as different depth of dowels,the reflection coefficient and the equivalent impedance at the port and the type of rectangular waveguide.It is convenient to achieve the matching through adjusting the dowels to the fixed depth.
Keywords:matching;rectangular waveguide;reflection coefficient;equivalent impedance
1 引 言
對于負載端連接有不同型號矩形波導的微波系統(tǒng)而言,傳統(tǒng)阻抗匹配技術(shù)很難對負載做到實時、快速并且穩(wěn)定的匹配,這在一定程度上限制了微波系統(tǒng)在很多領(lǐng)域的應用。
在不同微波系統(tǒng)中,由于終端使用的矩形波導型號可能有所不同,負載大多也不相同,這時手動調(diào)整可調(diào)銷釘?shù)奈恢脕斫⒐潭ㄆヅ渚W(wǎng)絡的方法可信度不高。建立一種基于不同型號矩形波導的阻抗匹配系統(tǒng)模型,對于不同負載阻抗都可以使系統(tǒng)的反射系數(shù)滿足工程理想值。這樣就可以在很大程度上擴展微波系統(tǒng)的應用范圍。
國際上對這樣的阻抗匹配的研究已經(jīng)起步,可以在5 s內(nèi)實現(xiàn)不同負載的阻抗匹配。目前國內(nèi)這樣的研究還不是很多。
2 銷釘匹配器的理論分析
銷釘調(diào)配器就是在波導中插入螺釘,并利用螺釘在波導中不同位置時表現(xiàn)出的等效阻抗特性,使負載阻抗和傳輸線特性阻抗相等,從而實現(xiàn)匹配。具體分析過程如下:
(1) 根據(jù)傳輸線理論[1],如果端口2處連接有匹配負載,即使其端口處于匹配狀態(tài),此時銷釘插入深度為0、0、0,電磁波以行波狀態(tài)傳輸,如圖1所示。
圖1 傳輸線匹配狀態(tài)
(2) 調(diào)整3個銷釘?shù)牟迦肷疃?,由于銷釘插入深度的變化,使得其等效阻抗發(fā)生變化,系統(tǒng)在端口1處的阻抗不匹配,此時端口1處反射系數(shù)大于零,通過反射系數(shù)可以計算出等效輸入阻抗為Z1。這3個銷釘?shù)牟迦肷疃群投丝?處的等效阻抗大小有一一對應的關(guān)系,如圖2所示。
圖2 銷釘插入深度變化時的端口特性
(3) 在微波系統(tǒng)實際工作當中,端口1連接的是負載,端口2連接的是信號源,即原端口1與端口2互換了位置。如果所接負載大小等于Z1時,可以根據(jù)上述對應關(guān)系把銷釘插入深度調(diào)整到如圖3所示的位置(即銷釘翻轉(zhuǎn)過后的位置),即可實現(xiàn)端口2(微波系統(tǒng)中信號源端)的匹配。
圖3 微波系統(tǒng)實際工作中的端口特性
經(jīng)過上面的分析,我們就可以建立起如圖1所示的在端口2匹配情況下,三銷釘匹配器端口1處的阻抗大小以及銷釘插入深度參數(shù)二者的關(guān)系。
在引入上述思想的基礎(chǔ)上,對微波阻抗匹配系統(tǒng)中的三銷釘匹配器進行仿真,得到銷釘不同插入深度時所對應的端口反射系數(shù),再計算得到端口等效阻抗大小,從而可以建立銷釘插入深度以及端口等效阻抗的一一對應關(guān)系。
3 實際工作
對于使用不同型號矩形波導的微波系統(tǒng)中,一個比較困難的問題是如何在短時間內(nèi)對連接在不同型號矩形波導負載端的不同負載進行匹配。
本文的研究目的就是獲取在連接相同的負載和相同的銷釘插入深度的前提下,不同型號的矩形波導和端口反射系數(shù)之間的關(guān)系。因為銷釘本身在不同深度下可以等效為電容,也可以等效為電感,且其電抗大小是很難確定的,通過解析法獲得銷釘插入深度和銷釘匹配器端口特性之間的關(guān)系是很困難的,為此我們提出了通過仿真來獲取銷釘插入深度和銷釘匹配器端口特性之間的關(guān)系的方法。
3.1 銷釘匹配器的設(shè)計及銷釘?shù)倪x擇
在設(shè)計銷釘匹配器時應該考慮下列的問題:
(1) 銷釘?shù)奈恢靡暨x得盡量靠近負載;
(2) 傳輸線阻抗具有λ/2周期性,故銷釘之間的間距不能選擇λ/2;
(3) 在銷釘匹配器中,銷釘直徑越大,插入深度越深,等效電容也越大;反之,等效電容越小,等效電感逐漸變大。實驗還證明,銷釘直徑越大,其頻帶響應越寬。
銷釘匹配器的尺寸及銷釘?shù)拇笮⌒枰鶕?jù)工作頻率范圍來確定。本文研究的頻率范圍以2.45 GHz為中心頻率,對應波長λg=122.4 mm。銷釘匹配器中波導內(nèi)截面的尺寸為a1=86.40 mm,b1=43.20 mm以及a2=109.20 mm,b2=54.60 mm(a1,b1和a2,b2分別對應于BJ-26和BJ-22矩形波導)。銷釘?shù)闹睆酵ǔ_x擇小于λ/4,我們選擇銷釘直徑為d=20 mm;在λ/8~3λ/8范圍內(nèi)選擇銷釘間距ΔS,這里令ΔS=λ/4=30.6 mm。
3.2 仿真模型的建立與分析
以BJ-26矩形波導為基礎(chǔ),在高頻仿真軟件HFSS中建立銷釘匹配器模型。在圖1所示的端口2處接有匹配負載,為此設(shè)置端口2邊界條件為匹配邊界(PML層),厚度應該大于λ/2[2],如圖4中紅色部分所示。
圖4 設(shè)置了匹配邊界之后的仿真模型
調(diào)整銷釘插入深度,仿真得到端口1處反射系數(shù),以50 Ω特性阻抗來計算得到此時端口1的等效輸入阻抗,選擇三組數(shù)據(jù)建立他們的對應關(guān)系如表1所示。
表1 BJ-26波導仿真結(jié)果對應關(guān)系
在獲得上述仿真結(jié)果基礎(chǔ)上,建立以BJ-22矩形波導為基礎(chǔ)的銷釘匹配器模型,分別調(diào)節(jié)銷釘插入深度如表1中數(shù)據(jù),獲得端口1的反射系數(shù)S11,計算得到的等效輸入阻抗三者對應關(guān)系如表2所示。
表2 BJ-22波導仿真結(jié)果對應關(guān)系
4 結(jié) 語
從上面仿真后的數(shù)據(jù)可以看出,對于由BJ-26和BJ-22兩種不同型號矩形波導構(gòu)成的銷釘匹配器而言,如果負載端(參看圖3)所接負載與上述表1或者表2中所列出的負載值相差不大時,將銷釘調(diào)整到經(jīng)過仿真、優(yōu)化過后深度位置后,端口2處的指標基本上都可以滿足工程要求。
此外,本文也對其他型號矩形波導建立的銷釘匹配器模型進行研究,對應于相似大小的負載和相同的銷釘位置,端口2處的駐波比不再滿足工程要求。如何做到在小范圍內(nèi)變化銷釘位置也能使端口2處性能達到工程要求還需要進一步的研究,從而更大地促進微波系統(tǒng)的發(fā)展。
參 考 文 獻
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作者簡介
王利斌 男,1982年出生,電子科技大學測試計量技術(shù)與儀器專業(yè)碩士。研究方向為無源微波器件的設(shè)計。
廖小麗 女,電子科技大學生命科學與技術(shù)學院講師。研究方向為生物電子學與生物電磁學。
劉 華 女,電子科技大學高級工程師。主要從事微波頻段的微波信號的采樣及處理。
注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。