如何模拟不同类型矩形波导的过渡

2020年 10月 20日

传输线通过将信号从输入端口传输到输出端口来传播能量。例如,波导、同轴线、平面传输线、微带线、共面波导线和槽线。为了成功部署微波系统,工程师会使用各种类型的传输线,通过适当的过渡将电磁波从一种类型的传输线耦合到另一种类型的传输线中。这些过度应该具有低透射性和低反射损耗性。

对 3 种矩形波导过渡的建模示例

本篇博客文章讨论了微波电路设计中常用的不同类型的波导过渡:

  1. 波导到平面传输线的过渡
  2. 同轴电缆到波导过渡
  3. 矩形到椭圆波导过渡

1.波导到平面传输线的过渡

波导适用于处理高功率和低损耗传输,但它们体积庞大并且昂贵。诸如微带线之类的平面传输线由于具有体积小、易于与晶体管和二极管集成形成微波集成电路(MIC),因而广泛应用于微波领域。由于这些原因,波导到平面传输线的过渡适用于许多类型的微波系统。

波导到平面传输线的过渡大致可分为三种类型:

  1. 同轴过渡:沿波导的传播方向过渡
  2. 孔径耦合过渡:能量通过孔径耦合到平面传输线,孔径可以出现在波导的端壁或宽壁处
  3. 垂直过渡:探针与波导的传播方向垂直

以第三种过渡类型为例,我们在波导到微带线的过渡模型中进行了详细的讨论。此模型使用了标准的 WR10 波导,并且通过使用垂直于波的传播方向的纵向探针(也称为 E-平面探针)实现从波导到微带线的过渡。将纵向探针从波导的较宽的一侧壁插入,其中基板的表面沿波导的传播方向排列(参考文献1)。

 

波导到微带线跃迁模型的背对背过渡。

在此模型中,同时设计了微带线与四分之一波长变压器,以使 RT/duroid®6010LM 层压基板上的阻抗匹配至 50[ohm],该基板可从 COMSOL Multiphysics® 软件的 RF 模块材料库中获得。

为了便于实验建立模型,将设计扩展到背对背过渡。在这种扩展设计中,一条 50[ohm] 的微带线被转换回探针,该探头充当相邻 WR10 波导的馈线。为了考虑较高频率下的损耗,我们使用了适当的边界条件。例如,阻抗 边界条件(IBC)用于波导壁(适用于导体的厚度大于集肤深度的情况),过渡 边界条件(TBC)用于微带线(适用于导体厚度与集肤深度相当的情况),这有助于使数值模型接近于实验设置。另一种方法是使用理想电导体(PEC);但是,PEC是无损条件,因此未在该模型中使用。

从 S 参数图可以看出,在整个频带(75GHz 至 110GHz)中,反射低于 -15dB,而最大传输损耗为 0.7dB。在史密斯圆图中,S11 紧密的围绕着中心旋转,这意味着匹配良好。这种过渡设置与汽车行业相关,由于W波段具有很多优点,例如巨大的带宽、高分辨率和减小天线尺寸等,雷达技术开始从 K 波段转向 W 波段。

波导到微带线过渡模型的S参数响应图
波导到微带线过渡模型的 COMSOL 
 Multiphysics 模型的史密斯圆图

波导到微带线过渡模型的 S 参数响应和 S 11 的史密斯圆图。

2.同轴到波导的过渡

本篇博文中讨论的第二种传输线过渡是同轴线到波导的过渡。同轴线可用作波导的馈线,如同轴电缆到波导的耦合模型所示。

该模型演示了使用 RF 模块和 COMSOL Multiphysics 从同轴电缆到波导的简单过渡。通过同轴电缆的入射波是通过功率为 1W 的同轴端口边界条件设置的。在输出端,采用矩形 TE10 模式。端口的边界条件仅对其指定的模式完全透明。这些相同的模式也用于自动量化 S 参数。

因此,建模部分必须足够长,以使倏逝波在到达端口之前消失殆尽。这使得我们仅剩下6 GHz的传播模式,也是唯一被支持的传播模式(即基模)。在这种情况下,为了考虑损耗,对波导的同轴导体和金属表面采用了具有铜材料特性的阻抗 边界条件。

 

同轴线与波导耦合的电场分布。

3.矩形到椭圆形波导的过渡

椭圆波导由于具有最佳性能和最小的场误差,因此可用于微波回传中。通常通过将传统的矩形波导转换成椭圆波导来形成弯曲或扩束装置。此类装置的设计应使反射引起的能量损耗在工作频率下最小。

例如,在波导适配器模型中,分析了微波在矩形波导和椭圆波导过渡中的传播。为了研究适配器的特性,此示例模拟了从矩形波导穿过适配器并进入椭圆波导的波。S 参数根据频率进行计算。所涉及的频率都在波导的单模范围内,即在波导中仅传播一种模式的频率范围。

矩形到椭圆波导过渡中电场 x- 分量的等值面图
矩形到椭圆波导过渡中电场 x- 分量的等值面图。

结语

传输线过渡是经常使用的方法,而且应该具有低反射损耗和低传输损耗。在较高的频率下,由于传输线中使用的金属的导电性有限,导致传输损耗的集肤效应占主导地位。为了考虑这种损耗,可以适当地使用 IBC 和 TBC 等边界条件将计算成本最小化,并通过阻抗匹配可以将反射损耗降至最低。

后续步骤

通过查看此博客文章中讨论的三个教程模型,尝试在 COMSOL Multiphysics 中为过渡线过渡建模:

参考文献

  1. Yoke-Choy Leong and S. Weinreb, “Full band waveguide-to-microstrip probe transitions,” 1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp. 1435–1438 vol. 4, 1999.

RT /duroid® 是 Rogers 公司或其子公司之一的注册商标。


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