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        一種基于HFSS仿真C頻段波導(dǎo)魔T設(shè)計(jì)

        2017-11-02 00:04:20韓來輝
        火控雷達(dá)技術(shù) 2017年2期
        關(guān)鍵詞:波導(dǎo)發(fā)射機(jī)頻段

        韓來輝 潘 進(jìn)

        (中國電子科技集團(tuán)公司第27研究所 鄭州 450047)

        一種基于HFSS仿真C頻段波導(dǎo)魔T設(shè)計(jì)

        韓來輝 潘 進(jìn)

        (中國電子科技集團(tuán)公司第27研究所 鄭州 450047)

        本文簡單闡述了波導(dǎo)魔T原理及調(diào)配方式,通過三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)C頻段魔T進(jìn)行建模并對(duì)該模型的傳輸損耗、回波損耗、端口隔離進(jìn)行了仿真。采用簡單可行結(jié)構(gòu)形式,具有低傳輸損耗、高回波損耗 、優(yōu)良相位一致性、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。該魔T已經(jīng)在某工程大功率發(fā)射機(jī)應(yīng)用,達(dá)到了理想的效果。

        HFSS;C頻段;魔T

        Abstract: Principle of waveguide magic T and its testing and assembling is introduced. C-band magic T is modeled and its transmission loss, echo loss, and port isolation are simulated by using 3-dimenisonal electro-magnetic simulation software HFSS. C-band waveguide magic T is featured advantageous like low transmission loss, high echo loss, perfect phase consistency, compact structure, and so on by using simple and feasible structure. The magic T has been applied in high power transmitter of a project to achieve ideal effect.

        Keywords:HFSS;C-band;Magic T

        0 前言

        隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,固態(tài)發(fā)射機(jī)因其體積小、效率高、可靠性高等優(yōu)勢逐漸取代原有真空管發(fā)射機(jī),同時(shí)對(duì)發(fā)射機(jī)輸出功率提出更高的要求,但因固態(tài)放大器單只管子輸出功率的限制,無法達(dá)到滿足使用要求,因此功率合成成為固態(tài)發(fā)射機(jī)一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。因此對(duì)于工程應(yīng)用中設(shè)計(jì)一種低傳輸損耗和回波損耗、相位一致性高、端口隔離度高合成器成為功率合成的重中之重。

        目前,功率合成技術(shù)多采用二進(jìn)制合成和多路徑向合成。二者在功率合成工程應(yīng)用中有著各自的優(yōu)點(diǎn),可根據(jù)工程應(yīng)用的需求靈活應(yīng)用。多路徑向合成器具有傳輸損耗低,回波損耗和端口隔離差。四端口二進(jìn)制合成器因其具有隔離端具有低傳輸損耗和回波損耗、端口隔離、功率容量高的優(yōu)點(diǎn)。

        波導(dǎo)魔T[1]作為微波、毫米波電路中的重要合成/分路器件,因其具有功率容量高、端口匹配好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢,成為微波、毫米波系統(tǒng)合成、分路的重要器件[2,3]。本文根據(jù)研制工程需求采用二進(jìn)制合成方法,簡單介紹了魔T的原理,通過三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)C頻段波導(dǎo)魔T進(jìn)行了仿真,并基于仿真結(jié)果進(jìn)行機(jī)械加工和裝配、測試,取得了良好的效果。

        1 研制需求

        依據(jù)C頻段固態(tài)連續(xù)波發(fā)射機(jī)研制需求,對(duì)波導(dǎo)合成器提出技術(shù)指標(biāo)要求如下:

        a)工作頻帶:C頻段

        b)傳輸損耗:≤0.15dB;

        DN是2型糖尿病最常見的并發(fā)癥之一,是一種慢性進(jìn)行性微血管病,也是導(dǎo)致糖尿病患者死亡主要原因之一[2],目前臨床上常用肌酐、尿素氮和尿蛋白定量作為預(yù)測DN進(jìn)展的指標(biāo),但其檢測方法靈敏度有限、檢測過程繁瑣耗時(shí),存有一定局限性,對(duì)患者的腎臟損傷很難作出早期判斷,因此臨床上對(duì)于DN的早期診斷,找到即簡便又快速的臨床評(píng)價(jià)指標(biāo)變得尤其重要。

        c)端口回波損耗:≤-20dB;

        d)端口隔離:≥20dB;

        e)功率容量:≥1.5kW(CW);

        f)輸入端口相位一致性:≤±5°。

        2 波導(dǎo)魔T原理

        波導(dǎo)魔T又稱為匹配雙T,是將E-T和H-T構(gòu)成雙T接頭的基礎(chǔ)上通過內(nèi)部加載調(diào)配結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的匹配可逆無耗四端口元件。理想匹配魔T,當(dāng)TE10波自波導(dǎo)魔T的E臂輸入時(shí),H臂連接匹配負(fù)載,主臂端口“1”和“2”臂輸出等幅反向兩路信號(hào),而H臂信號(hào)無輸出,且反射信號(hào)。當(dāng)TE10自波導(dǎo)魔T的H臂輸入時(shí),E臂連接匹配負(fù)載,主臂端口“1”和“2”臂輸出等幅同向兩路信號(hào),而E臂信號(hào)無輸出,且反射信號(hào)[4]。根據(jù)雙T接頭滿足對(duì)稱性和互易性以及H臂、E臂為隔離端口,因此魔T的參數(shù)矩陣可寫成:

        (1)

        魔T為無耗元件,滿足散射參量的一元性定理可得:

        STS=E

        (2)

        根據(jù)矩陣乘法規(guī)則有:

        |S11|2+|S12|2+|S13|2+|S14|2=1

        |S22|2+|S12|2+|S13|2+|S14|2=1

        (3)

        將(2)帶入(3)得:

        |S11|2+|S22|2=0

        (4)

        適當(dāng)?shù)剡x擇魔T 各端口參考面的位置,可以使S13 和S14為:

        則匹配魔T的散射參數(shù)矩陣為:

        綜上,匹配魔T作為合成器時(shí)具有如下特性:

        a)信號(hào)同時(shí)從“1”,“2”等幅同向輸入時(shí),E臂作為隔離端無信號(hào)輸出,H臂信號(hào)合成輸出,幅度為“1+2”。

        b)信號(hào)同時(shí)從“1”,“2”等幅反向輸入時(shí),H臂作為隔離端無信號(hào)輸出,E臂信號(hào)合成輸出,幅度為“1+2”;

        匹配魔T作為分路器時(shí)具有如下特性:

        a)信號(hào)自E臂輸入,兩個(gè)主臂“1”,“2”等幅反向輸出,幅度為輸入信號(hào)的1/2,H臂為隔離端口,H臂為隔離端無信號(hào)輸出;

        b)信號(hào)自H臂輸入,兩個(gè)主臂“1”,“2”等幅同向輸出,幅度為輸入信號(hào)的1/2,E臂為隔離端口,H臂為隔離端無信號(hào)輸出。

        3 波導(dǎo)魔T電磁仿真設(shè)計(jì)

        本文依據(jù)C頻段連續(xù)波大功率發(fā)射機(jī)研制需求,研究了波導(dǎo)魔T的工作原理,采用了在波導(dǎo)魔T內(nèi)部加載錐體匹配方法,通過三維電磁仿真軟件HFSS優(yōu)化仿真,實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)魔T全端口匹配目的,突破了波導(dǎo)魔T難于加工及精度控制的難題。具有端口匹配好、功率容量大、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。

        C波段波導(dǎo)魔T,利用三維電磁仿真軟件HFSS建模[5],采用標(biāo)準(zhǔn)BJ48波導(dǎo),波導(dǎo)寬邊a=47.55mm,窄邊b=22.15mm ,在E臂底部加載半徑為r1的底壁處被削去與矩形波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)幾何形狀吻合錐體加半徑為r2的圓柱,通過對(duì)錐體位置、高度、半徑實(shí)現(xiàn)對(duì)H臂、E臂的調(diào)配,圓柱對(duì)H臂調(diào)配,通過HFSS參數(shù)目標(biāo)優(yōu)化最終實(shí)現(xiàn)了四端口的良好匹配。

        圖1 C頻段波導(dǎo)合成器(魔T)仿真模型

        波導(dǎo)魔T傳輸損耗、相位、端口隔離及各個(gè)端口回波損耗仿真結(jié)果如圖2、3所示,在工作頻率范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了端口匹配以及隔離,其中傳輸損耗小于0.1dB,端口隔離度大于25dB,回波損耗小于-20dB。依據(jù)仿真各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)結(jié)果可以作為性能良好的大功率合成器使用。

        圖2 C頻段魔T端口傳輸損耗和相位仿真結(jié)果

        圖3 C頻段波導(dǎo)魔T端口隔離及回波損耗仿真結(jié)果

        5 波導(dǎo)魔T結(jié)構(gòu)形式和測試結(jié)果

        根據(jù)C頻段波導(dǎo)魔T建模及仿真結(jié)果,對(duì)模型加工分為三個(gè)部分進(jìn)行加工,分為:底部、頂部、錐體三個(gè)部分見圖1,通過簡單機(jī)械裝配的方法,采用合理控制加工誤差的方法,實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)魔T整體的技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)要求,整體裝配圖見圖4。

        通過M6的螺釘魔T結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了裝配,裝配的實(shí)物見上圖4。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)波導(dǎo)魔T各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測試,測試結(jié)果見下圖5、6。

        從圖6、7實(shí)際測試數(shù)據(jù)可以看出,波導(dǎo)魔T在通帶傳輸損耗小于0.1dB,端口回波損耗小于-20dB,端口隔離大于22dB,輸入端口相位一致性小于2°,功率容量在C頻段連續(xù)波發(fā)射機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證滿足大于1.5kW連續(xù)波功率容量的使用要求。

        圖4 C頻段波導(dǎo)魔T結(jié)構(gòu)件實(shí)物圖

        圖5 端口2、3傳輸損耗及相位

        圖6 端口1、4回波損耗及端口1與4、2、3隔離

        4 結(jié)束語

        本文通過三維電磁仿真軟件HFSS 對(duì)C頻段波導(dǎo)魔T建模并進(jìn)行了優(yōu)化仿真,得到了滿足加工要求的尺寸,采用了合理可行的結(jié)構(gòu)形式,并進(jìn)行了加工、裝配、測試,在設(shè)計(jì)的工作頻段內(nèi),獲得了優(yōu)良的傳輸、回波損耗、端口隔離度以及相位一致性,成功應(yīng)用在C頻段固態(tài)連續(xù)波發(fā)射機(jī)功率合成,取得了理想的效果,對(duì)其他頻段波導(dǎo)合成器魔T的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

        [1] 韓來輝,姚愛田,余海.二進(jìn)制寬帶毫米波合成器設(shè)計(jì)與分析[J].火控雷達(dá)技術(shù),2016,45(2):67-72.

        [2] 杜侖銘,徐可榮。 寬帶波導(dǎo)魔T 的設(shè)計(jì)[J]. 船舶電子對(duì)抗,2006,29(3):52-54.

        [3] 黃繡江,郭泉等. 超寬帶雙脊魔T的研制[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2007,22(2):177-180.

        [4] 顧繼慧.微波技術(shù) [M] 2005.3

        [5] 謝擁軍,王鵬,李磊等.Ansoft HFSS基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

        DesignofaHFSS-based-simulationC-bandWaveguideMagicT

        Han Laihui, Pan Jin

        (No.27 Research Institute of CETC,Zhengzhou 450047)

        TN957

        A

        1008-8652(2017)02-062-03

        2017-03-13

        韓來輝(1979-),男, 高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楦吖β饰⒉夹g(shù)。

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