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同轴-矩形波导转换器仿真实验报告

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同轴矩形波导转换器仿真实验报告,包含基本实验步骤及实验结果,另有插入一段介质进行仿真的拓展试验部分。
Name
value
Unit
Evaluated value
Desc
Cordinate,Glokal
Pasition
.56,0,-3.556
mm|-356mm,mrn,-3.55
7.112
mm 7-112mm
15
mm
om
图5.1-2矩形波导参数设置
该矩形波导填充介质选择空气(air)。査阅相关资料可知,该标准波导的工作频率范围
为26.5-400GHz
同轴线的构建及插入操作
同轴线分内导体和外导体,设内外导体的半径分别为R1、R2。同轴线需要抑制高次模
的传输,则半径要求λmn=T(R1+R2)。根据要求,选择半径分别为R1=145mm,R2=
0.62mm。
根据矩形波导位置,设定同轴线内外导体位置,1为距离波导短路面的距离,d为插入
深度。同时,为了使激励效率最高,探针应伩于电场最强处,及宽壁中间位置。设计同轴线
的参数如下
Unit Name
Value
Coordinate obal
Coordinate n Clobal
Certer Posit. Omm, I-d
enter Posit. Omm I-d
Radius
Radius
45
mm
Height
etITI
Number of g
Number of
图5.2-1同轴线内(左)外(右)导体参数没置
司轴线外导体材料设置为空气(air),内导体材料为pec将外导体与矩形波导利用布尔
运算 Unite结合,实现将探针插入矩形波导。构建完成的模型结构如下:
图52-2同軸-矩形波导模型结构图

边界及激励端口设置
该模型设置两个端∏,分别为同轴线和矩形波导截面,同吋设置矩形波导的另·截面为
短端。同轴线外导体表面及矩形波导侧面设置为 perfet E边界。模型的边界及激励端∏如
下图所示:
aveportl
Perfect E
短路面
waveport2
10(mm)
图5.3-1模型边界及激励端口设置示意图
其中,短路面的存在时提供一个可调电抗,以抵消和高次模式截止场相对应的探针电抗。
仿真参数设置
BJ320标准波导的工作频率为26.5-40.0GHz,故本实验中仿真计算33-400GHz的转换
器性能。 Solution frequency设置为35(Hz,扫频设置33-40GHz,通过HFSS观察在不同频
率点的端∏驻波比(VSWR)、激励端∏反射系数(S11)、传输系数(S21)的值,调制探针
插入深度及位置,实现功率最大传输。
实验结果及分析
利用 optimization优化参数
初始设置探针插入深度d-1.6mm,到波导终端短路面距离l1.7mm,所获得的端口1驻
波比、反射系数(S11)及传输系数(S21)曲线如下:

XY Plot 1
Cure
4C0
3700
9 00
4003
图62-1端口1反射系数(Sl1)随频率变化
XY Plot 2
-0.01
Curve lnt
SelLp1 Sweep
Freq [GHz]
图6.2-1传输系数(S21)随频率变化
XY Plot 3
HFSSDesun1 A
VOR(
h
图62-3端口1驻波比(VSWR)随频率变化
由上图可以看岀,在指定频宽内,端口的驻波比较大,同时插入损耗和回波损耗的计算
式为:=20log1lS21(dB),RLm=20log1lS1(dB),可以计算出此时的插入损耗和回波
较大,说明该探针没有位于最佳位置,需要进行调整。
对于探针插入深度及位置的调整,可以采取于动调整的方式,即采取控制变量法,对于

参数d和1,固定一个值调整另一个,观察对驻泼比的影响,从而做出进一步调整。显然此
方法效率十分低且使用不便,故在本实验中采取HFSS的优化( optimization)功能,利用遗
传算法逗近探针最佳位置及深度。21
在 optimization中调用遗传算法,目标函数为端冂1的驻波系数,实现目标为在指定带
宽内,驻波系数小于1.1。
oals Variables Ganeral options
Optimizer Genetic Algorithm
Setup
Cost function:
Solution
Calculation
Calc Range
Condition Goal
Setup: Sweep
VSWR
Freg(33GHz 33 1GHz, 40GHzi
1
Goals Variables Options
Variabl Ovcrridc starting Valuc Units Includc Min Units Max Units Min Focus Units Max kocIs
1.6
0.9m
09
2.00
17
09
09
图6.1-4遗传算法参数设置
利用遗传算法进行计算分析,其迭代过程如卜图所示:
真w红1t1on(d=1.9
102m1=1 73576411284918n')has been requested on mach: ne
Local Machine (1C: 23: 57
1月04,2010
d.(10:30:11下午
A vaiation (d=1.673-9668042965m 1=1 87891102590722n)has been requested on m ach: ne
wS:Inru1i,uumd(10:m8下午1
”x12日21391224131)1 been requested on.ma
0浮02, Swep'Sweep': Interpola-irg sweep converged0341下午
028:983042321827)b=:0+ ed on mach: ne
图6.1-5遗传算法迭代过程
由遗传算法计算可得,探针的插入深度d-=1.8lmm,距离波导短路面的距离11.72mm
此时的驻波比能够满足要求。
实验结果及分析
利用遗传算法所得结果,设置d=1.8lmm,l=1.72mm,再次对该转换器端口1的驻波比
反射系数(S11)及传输系数(S21)进行计算,所得结果如下图所示

XY Plot 1
750
35.00
9.00
HrEq [i-7
图6.2-1端口1反射系数(S11)随频率变化
XY Plot 2
0.002
CE(S(2 1))
setup: Sweep
-0.00c
0.00
-0.010
图6.2-1传输系数(S21)随频率变化
XY Plot 3
IsdES cn1
106
3303
35.00
3C.0c Freq IGHzl
37C0
3900
图62-3端凵1驻波比(VSWR)随频率变化
由上图可以看山,在带宽33-40GHz间,端冂的蛀波比小于1.1,插入损耗小于0.01dB
在约358GHz时,驻波比达到最小值,约为1.008,此时插入损耗S21=0.0008dB,说明探针
在此位置和插入深度下,该冋轴-矩形波导转换器的匹配性能良好,实现从同轴线TEM模到
矩形波导TE10模的转换,且功率传输最大。

拓展研究
波导长度对驻波比的影响
在以上讨论中,矩形波导的长度为l5mm,现将波导长度增加到25mm进行仿真,得到
的驻波比随频率变化如下:
XY Plot 3
rcq [GH
XY Plot 3
Setup
10)330
40.0
Freq GHz
图71-1波导长度L=15m(上)L=25mm(下)时驻波比随频率变化曲线
由上图可以看岀,当波导长度增加时,探针的最佳插入深度和位置不变,且同频率卜驻
波比明显有所卜降。探针插入深度和位置不变是因为改变波导长度时,并没有对同轴-矩肜
波导连接攵的输入阻抗造成影响,所以匹配条件不变。但是矩形波导长度增加时,能使得高
次模被抑制,反映在传输性能上即为驻波比的减小
介质套对驻波比的影响
为了展宽频带,还可以将探针用介质套筒套起来,如下图所示

E
图探针外增加介质套结构示意图
对比结构图,构建带有介质套的模型,介质套采取用材质,半径为,高度为
。增加介质套后的模型如卜:
13(mm
图增加介质套模型结构
对比增加介质套前后端口的驻波比,以驻泼比为时的带宽进行比较:
XY Plot 3
HFSSCesign1
带宽约为108GHz
912
1.15
1.13
103
3400
Frog GHz

XY Plot 3
125
一带宽约为6GHz
1
3200
34C
3800
Freq GH2
图增加前(上)后(下)介质套后频带宽度对比
由上图对比可以看出,增加介质套后,在指定频率范围内,驻波比为时的频带宽度从
增加到,明显使得频带展宽。虽然驻波比有一定的上升,但对比频带的加宽,
驻波比增大属于可接受范围内,故增加介质套由·定的实用价值。
从定性方面分析,介质套降低了波导的等效阻抗,减小了阻抗对频率变化的敏感性,从
而展宽∫频带。但是,加∫介质套筒后,会降低转换器的功率容量,囚此这种装置多用于功
率较低的情况。
司时实验仿真了将介质套安装在探针插入波导的范围以外的情况,此时模型结构如下图
所示
图介质套在插入波导范围以外时模型
仿真得到端冂的驻波比随频率变化如卜:

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