寬帶功分器設(shè)計(jì)和電磁仿真研究

宋立眾, 劉尚吉, 王永建

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 信息與電氣工程學(xué)院, 山東 威海　264209；2. 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所, 高性能電磁窗航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 濟(jì)南　250023;3. 國(guó)家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心, 北京　100029)

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寬帶功分器設(shè)計(jì)和電磁仿真研究

宋立眾1, 劉尚吉2, 王永建3

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 信息與電氣工程學(xué)院, 山東 威海264209；2. 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所, 高性能電磁窗航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 濟(jì)南250023;3. 國(guó)家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心, 北京100029)

討論了綜合工程實(shí)踐和電磁仿真技術(shù)的電磁場(chǎng)與微波技術(shù)課程的實(shí)踐教學(xué)思路,以期提高該課程教學(xué)的實(shí)用性。以常用的寬帶功分器的設(shè)計(jì)為例,分別討論了基于全波電磁仿真技術(shù)的2路輸出和3路輸出的寬帶功分器的設(shè)計(jì)方案。采用全波電磁仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的功分器進(jìn)行仿真優(yōu)化,給出了具體電磁仿真結(jié)果。該教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目展示了該實(shí)踐教學(xué)模式的有效性和優(yōu)越性,該寬帶功分器也適用于天線陣列和電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合。

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)； 寬帶功分器； 電磁仿真； 微帶電路

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)課程是電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，是學(xué)習(xí)后續(xù)的微波電路、微波測(cè)量、微波網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ),對(duì)研究生階段的學(xué)習(xí)也十分重要。近年來(lái),電磁場(chǎng)與微波技術(shù)學(xué)科迅速發(fā)展,各種新理論、新技術(shù)、新的設(shè)計(jì)工具和實(shí)驗(yàn)手段不斷出現(xiàn)和高速發(fā)展。因此,在教學(xué)改革中,有必要在本課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中適當(dāng)引入這些新的設(shè)計(jì)工具和實(shí)驗(yàn)手段,以達(dá)到開(kāi)闊學(xué)生的視野、熟悉實(shí)際工程應(yīng)用的目標(biāo)。在電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)專(zhuān)業(yè)的課程體系中,無(wú)源射頻電路理論和技術(shù)是重要的教學(xué)內(nèi)容之一,現(xiàn)代射頻電路的設(shè)計(jì)越來(lái)越依賴(lài)于電磁仿真軟件的使用。因此,將傳統(tǒng)的射頻電路設(shè)計(jì)技術(shù)與電磁仿真技術(shù)相結(jié)合,已逐漸成為當(dāng)前射頻電路技術(shù)領(lǐng)域的主流設(shè)計(jì)模式,電磁仿真軟件在該專(zhuān)業(yè)本科環(huán)節(jié)中的引入顯得尤為重要[1-3]。本文以電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)為背景,探討將電磁仿真技術(shù)與射頻電路相結(jié)合的教學(xué)模式。

功分器是一種重要的射頻器件,在微波功率傳感器、混頻器、相位檢測(cè)、天線陣列等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。功分器可采用各種傳輸線,例如波導(dǎo)、同軸線、微帶線、共面波導(dǎo)、槽線、不對(duì)稱(chēng)共面帶線等,種類(lèi)很多[4-8]。由于射頻功分器的重要應(yīng)用,本文將以寬帶射頻功分器為例,討論電磁仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用和效果,為開(kāi)展實(shí)際的實(shí)踐教學(xué)工作提供參考和示范。

1　兩路輸出功分器的設(shè)計(jì)與電磁仿真

結(jié)合實(shí)際科研項(xiàng)目的本科生實(shí)踐教學(xué)是一種創(chuàng)新性的教學(xué)模式[9],也是本專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)改革的內(nèi)容之一。在該教學(xué)模式中,指導(dǎo)教師和學(xué)生共同討論和設(shè)計(jì)電路,從而完成某項(xiàng)具體的科研項(xiàng)目,要求科研項(xiàng)目本身難度適中,技術(shù)目標(biāo)明確。本文討論基于電磁仿真的射頻電路的設(shè)計(jì)與仿真課題,采用的教學(xué)過(guò)程如圖1所示。

圖1　結(jié)合電磁仿真的功分器設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程

在進(jìn)行微波電路與天線設(shè)計(jì)的電磁仿真軟件中,常用的有ADS軟件、CST軟件、HFSS軟件和CST軟件等。本文應(yīng)用CST軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和電磁仿真。功分器是將輸入信號(hào)功率分成相等或不相等的幾路功率輸出的一種多端口微波網(wǎng)絡(luò),廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及天線陣列的饋電系統(tǒng)中[9-13]。從理論上講,功分器可分為輸出端間沒(méi)有隔離的功分器和有隔離的功分器兩種。現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)工作帶寬的要求越來(lái)越高,因此,設(shè)計(jì)寬帶甚至超寬帶的功分器已成為研究的熱點(diǎn)[14-16]。設(shè)計(jì)寬帶功分器的常用方法是采用多節(jié)階梯變換節(jié)或者漸變線變換節(jié),而相對(duì)于多節(jié)階梯變換節(jié),漸變線變換節(jié)在工作帶寬一定時(shí),其長(zhǎng)度一般比用多節(jié)階梯變換器要短。本文以天線陣列中的饋電用功分器設(shè)計(jì)為例,探討基于電磁仿真的寬帶功分器的設(shè)計(jì)方法。本節(jié)討論雙路輸出的寬帶射頻功分器的設(shè)計(jì)和電磁仿真問(wèn)題。本實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)的功分器的工作頻率為0.2 GHz,在輸入端口的反射較小,輸出端口接天線單元,天線單元可視為諧振狀態(tài),輸入阻抗約為50 Ω,功分器的輸出端口的電壓為等幅同相狀態(tài)。

本文采用微帶電路技術(shù)設(shè)計(jì)寬帶的雙路輸出功分器,設(shè)計(jì)的微帶電路放置于金屬腔體內(nèi),實(shí)現(xiàn)功分器與外界環(huán)境之間的電磁屏蔽,輸入和輸出端口連接同軸接頭,便于性能測(cè)試。該雙路輸出的功分器的外形是金屬腔體，見(jiàn)圖2(a),內(nèi)部放置的微帶電路板見(jiàn)圖2(b),微帶電路板的銅箔厚度為0.036 mm,介質(zhì)基板的厚度為1 mm,介質(zhì)基板的材料選擇FR4板材。功分器的端口1為輸入端口,端口2和端口3為輸出端口,輸出端口和輸入端口的微帶線的特性阻抗均為50 Ω。在輸出支路上,采用連續(xù)的阻抗變換傳輸線以實(shí)現(xiàn)寬帶的阻抗匹配。同時(shí),為了減小功分器的尺寸,本文采用了傳輸線的曲折線技術(shù)。

在設(shè)計(jì)的功分器的結(jié)構(gòu)中,包含了金屬腔體結(jié)構(gòu),該金屬腔體結(jié)構(gòu)也作為功分器的一部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真,最后根據(jù)仿真結(jié)果確定金屬腔體的內(nèi)腔高度約為21 mm。

圖2　雙路輸出功分器的結(jié)構(gòu)模型

本文以CST軟件作為電磁仿真工具,對(duì)設(shè)計(jì)的雙路輸出的寬帶功分器進(jìn)行電磁仿真和性能優(yōu)化。圖3是雙路輸出功分器的3個(gè)端口的回波損耗的仿真結(jié)果。由圖3可以看出,該功分器的輸入端口的回波損耗在頻率為0.10～0.30 GHz范圍內(nèi)小于-10 dB,電壓駐波比(VSWR)小于2,相對(duì)帶寬可達(dá)到100%。由于雙路輸出功分器為三端口網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)是互易和無(wú)損耗的,因此,不能實(shí)現(xiàn)所有端口的匹配。

圖3　雙路輸出功分器的3個(gè)端口的回波損耗的仿真結(jié)果

圖4為輸入端口到兩個(gè)輸出端口的信號(hào)傳輸特性仿真結(jié)果,可以看出,在工作頻率為0.2 GHz時(shí),該功分器從輸入端口到兩個(gè)輸出端口的信號(hào)傳輸幅度分別約為-3.26 dB和-3.32 dB,具有近似的對(duì)稱(chēng)性；從輸入端口到兩個(gè)輸出端口的信號(hào)傳輸相位分別約為163.38°和163.98°,相位基本相同,滿(mǎn)足預(yù)期指標(biāo)要求。圖5給出了輸出端口的S23(散射參數(shù))的幅度特性曲線,在工作頻率為0.2 GHz時(shí),該功分器的兩個(gè)輸出端口的S23的幅度約為-6.0 dB,不具有隔離特性。

圖5　雙路輸出功分器的輸出端口的S23的幅度特性仿真結(jié)果

2　三路輸出功分器的設(shè)計(jì)與電磁仿真

設(shè)計(jì)的功分器的工作頻率也為0.2 GHz,要求也是輸入端口是匹配的,輸出端口接天線單元,天線單元的輸入阻抗約為50 Ω,即負(fù)載與傳輸線是匹配的；功分器的輸出端口的電壓為等幅同相狀態(tài),即輸出是等功率分配的。此處仍采用微帶電路技術(shù)設(shè)計(jì)寬帶的三路輸出功分器,設(shè)計(jì)的三路輸出微帶電路板放置于矩形金屬腔體內(nèi),實(shí)現(xiàn)功分器與外界環(huán)境之間的電磁屏蔽,輸入和輸出端口連接同軸接頭。該三路輸出的功分器的金屬腔體外形見(jiàn)圖6(a),內(nèi)部放置的微帶電路板見(jiàn)圖6(b),其中微帶電路板的銅箔厚度為0.036 mm,介質(zhì)基板的厚度為1 mm,介質(zhì)基板的材料選擇FR4板材。圖6(b)中，端口1為該功分器的輸入端口，端口2、端口3和端口4為輸出端口,輸出端口和輸入端口的微帶線的特性阻抗均為50 Ω,同樣,在輸出支路上,采用連續(xù)的阻抗變換傳輸線實(shí)現(xiàn)輸出端與50 Ω歐姆特性阻抗的寬帶匹配,此處也采用了傳輸線的曲折線技術(shù)來(lái)減小功分器的尺寸,金屬腔體也為矩形結(jié)構(gòu),作為邊界條件,參與三路功分器的電磁仿真計(jì)算。

圖6　三路輸出功分器的結(jié)構(gòu)模型

本文仍以CST軟件作為電磁仿真工具,對(duì)設(shè)計(jì)的三路輸出的寬帶功分器進(jìn)行電磁仿真和性能優(yōu)化。圖7是三路輸出功分器的3個(gè)端口的回波損耗的仿真結(jié)果,可以看出,該功分器的輸入端口的回波損耗在頻率為0.15～0.25 GHz范圍內(nèi)的電壓駐波比小于2,相對(duì)帶寬約為50%；3個(gè)輸出端口的回波損耗基本一致。

圖7　三路輸出功分器的4個(gè)端口的回波損耗的仿真結(jié)果

圖8為輸入端口到3個(gè)輸出端口的信號(hào)傳輸特性仿真結(jié)果,可以看出,在工作頻率為0.2 GHz時(shí),該功分器從輸入端口到3個(gè)輸出端口的信號(hào)傳輸幅度分別約為-5.20 dB、-5.20 dB和-5.22 dB,具有較好的對(duì)稱(chēng)性；從輸入端口到3個(gè)輸出端口的信號(hào)傳輸相位分別約為78.41°、78.38°和78.02°,相位基本相同,滿(mǎn)足預(yù)期指標(biāo)要求。

圖9給出了輸出端口的S23、S24和S43的幅度特性曲線,在工作頻率為0.2 GHz時(shí),該功分器3個(gè)輸出端口的隔離特性分別為:S23的幅度約為-8.91 dB、S24的幅度約為-8.87 dB,S43的幅度約為-8.87 dB,輸出端口之間也不具有隔離特性。

圖8　三路輸出功分器的輸入端口到3個(gè)輸出端口的信號(hào)傳輸特性仿真結(jié)果

圖9　三路輸出功分器的輸出端口的隔離特性的仿真結(jié)果

3　結(jié)語(yǔ)

電磁仿真技術(shù)已成為電磁場(chǎng)與微波技術(shù)學(xué)生必須掌握的專(zhuān)業(yè)技能之一,因此,面向?qū)嶋H工程實(shí)踐的要求,開(kāi)展結(jié)合全波電磁仿真技術(shù)的電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的教學(xué)活動(dòng)是本課程教學(xué)改革的重要內(nèi)容。本文基于該教學(xué)改革的需求,進(jìn)行了該教學(xué)模式的探索工作。功率分配器是一種十分常用的基本電路單元,本文以寬帶功分器設(shè)計(jì)為例,采用全波電磁仿真軟件進(jìn)行了雙路輸出和三路輸出的寬帶功分器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路性能的仿真優(yōu)化,闡述了相應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果。該教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目展示了本教學(xué)模式的特點(diǎn)和優(yōu)越性。同時(shí),本文研究的寬帶功分器設(shè)計(jì)對(duì)工程應(yīng)用也具有參考作用,有利于本專(zhuān)業(yè)學(xué)生熟悉該領(lǐng)域的工程實(shí)踐。

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Research on design and electromagnetic simulation of wide band divider

Song Lizhong1, Liu Shangji2, Wang Yongjian3

(1. School of Information and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, China;2. Research Institute for Special Structures of Aeronautical Composite AVIC, Aeronautical Science Key Laboratory for High Performance Electromagnetic Windows, Ji’nan 250023, China; 3. National Computer Network Emergency Response Coordination Center of China, Beijing 100029, China)

In order to improve the practicability of the course teaching, this paper discusses a kind of practical teaching method of Electromagnetic Field and Microwave Technology course, combining both engineering practice and electromagnetic simulation. Taking the design of common wide band dividers as an example, this paper also discusses the design schemes of two-way and three way output dividers, respectively. The designed dividers were optimized by using the full wave electromagnetic simulation software and specific simulation results were provided. The design result of this teaching practical project shows the effectiveness and advantages of the proposed practical teaching mode. These researched wide band dividers are also suitable for some practical application cases such as antenna array and electromagnetic wave experiments.

electromagnetic field and microwave technology; wide band divider; electromagnetic simulation；microstrip circuit

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.020

2015- 10- 24修改日期：2015- 11- 28

哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(ITDA10002104);國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2014ZX03003001-004);航空科學(xué)基金項(xiàng)目(20131837001);國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61271118)

宋立眾(1975—)，男，遼寧沈陽(yáng)，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘炀€技術(shù)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)、雷達(dá)技術(shù).

E-mail：songlizhong@hitwh.edu.cn

TN626

A

1002-4956(2016)4- 0068- 05

儀器設(shè)備研制與應(yīng)用