胡小軍
(電子科技大學 四川 成都 610054)
隨著高功率微波技術的日益實用化,在一些應用情況下[1],需要將微波模式傳輸一段距離,這中間需要設計一段或數段彎曲波導。避免輸入模式發生能量轉化,保證輸出模式與輸入模式的一致性,是應用中必須解決的一個難題。
過模波導在高功率毫米波段傳輸線應用的非常的廣泛,為了提高波導的傳輸功率和降低傳輸損耗,采用了過模橢圓波導。而傳輸的模具有低損耗與零電壁的特點,由于模與模具有相同的相速,在彎曲橢圓波導中有強烈的連續耦合,本文采用的是變曲率,利用有限積分法來設計該橢圓彎波導。


其中 Y(r)和 y(φ)分別為場分量的徑向函數和角度函數,利用亥姆霍茲方程[4]得到了兩個常微分方程:

式中,k2c=γ2+k2,k2=w2με=(2π/λ)2,q=k2cf2/4,k 為波數,λ為波長,kc為橢圓波導的截止波數。式(2)和(3)分別是馬丟方程[5]和變型的馬丟方程,y為馬丟函數,Y為變型的馬丟函數。 其中 Y(x)=y(±jx),α 為馬丟函數的特征值,它與 q 有關。
馬丟方程在波導壁ξ=ξ0上的邊界條件,對TE場(Ez≡0)來說角向 Eφ=0,對 TM 場(Hz≡0)來說軸向,故

CST[6]微波工作室是專用于微波無源器件及天線設計與分析的軟件包。其強大的實體建模前端基于ACIS建模內核,在所有的器件建模完成后,會自動進行一個基于專家系統的全自動網格劃分,它含有四種不同的求解器:瞬態求解器、頻域求解器、本征模求解器、模式分析求解器。本文采用了微波工作室的瞬態求解器進行模擬仿真。
中心頻率:30.5 GHz;帶寬:2 GHz;傳輸效率:98%;平均半徑:15 mm。
該模型是利用插值函數來建立的,如圖1所示。

圖1 波導彎頭Fig.1 Waveguide bend
經過調節曲率半徑,得到的縱向電場分布如圖2所示,傳輸效率如圖3所示。

圖2 縱向電場分布Fig.2 Longitudinal electric field distribution
由上圖可的在輸入是TE01模,在450轉彎處發生了強烈耦合,經過對稱的450轉彎,最終在輸出端口得到比較純凈的 TE01模。
由圖3可得,在中心頻率30.5 GHz處的傳輸效率為98.8%,在28.5 GHz到30 GHz的帶寬范圍內的傳輸效率都在99%以上,在30~31.5 GHz帶寬范圍內的傳輸效率堵在98%以上,符合我們的設計指標的要求。

圖3 S21與頻率的關系Fig.3 Relationship between S21 and frequency
本次設計對橢圓彎波導設計過程和結果進行了分析,在
CST環境中進行模擬仿真,應用有限積分法,利用過模橢圓波導具有高功率、寬頻帶的特點,從而設計出高功率、寬頻帶、高效率橢圓彎波導。
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