一種基于HFSS仿真C頻段波導魔T設計

韓來輝 潘 進

(中國電子科技集團公司第27研究所 鄭州 450047)

一種基于HFSS仿真C頻段波導魔T設計

韓來輝 潘 進

(中國電子科技集團公司第27研究所 鄭州 450047)

本文簡單闡述了波導魔T原理及調配方式，通過三維電磁仿真軟件HFSS對C頻段魔T進行建模并對該模型的傳輸損耗、回波損耗、端口隔離進行了仿真。采用簡單可行結構形式，具有低傳輸損耗、高回波損耗 、優良相位一致性、結構緊湊等優點。該魔T已經在某工程大功率發射機應用，達到了理想的效果。

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

隨著我國科學技術的快速發展，固態發射機因其體積小、效率高、可靠性高等優勢逐漸取代原有真空管發射機，同時對發射機輸出功率提出更高的要求，但因固態放大器單只管子輸出功率的限制，無法達到滿足使用要求，因此功率合成成為固態發射機一項關鍵技術。因此對于工程應用中設計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，功率合成技術多采用二進制合成和多路徑向合成。二者在功率合成工程應用中有著各自的優點，可根據工程應用的需求靈活應用。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、功率容量高的優點。

波導魔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、結構簡單等優勢，成為微波、毫米波系統合成、分路的重要器件[2，3]。本文根據研制工程需求采用二進制合成方法，簡單介紹了魔T的原理，通過三維電磁仿真軟件HFSS對C頻段波導魔T進行了仿真，并基于仿真結果進行機械加工和裝配、測試，取得了良好的效果。

1 研制需求

依據C頻段固態連續波發射機研制需求，對波導合成器提出技術指標要求如下：

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癥之一，是一種慢性進行性微血管病，也是導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測DN進展的指標，但其檢測方法靈敏度有限、檢測過程繁瑣耗時，存有一定局限性，對患者的腎臟損傷很難作出早期判斷，因此臨床上對于DN的早期診斷，找到即簡便又快速的臨床評價指標變得尤其重要。

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 波導魔T原理

波導魔T又稱為匹配雙T，是將E-T和H-T構成雙T接頭的基礎上通過內部加載調配結構實現了優良的匹配可逆無耗四端口元件。理想匹配魔T，當TE10波自波導魔T的E臂輸入時，H臂連接匹配負載，主臂端口“1”和“2”臂輸出等幅反向兩路信號，而H臂信號無輸出，且反射信號。當TE10自波導魔T的H臂輸入時，E臂連接匹配負載，主臂端口“1”和“2”臂輸出等幅同向兩路信號，而E臂信號無輸出，且反射信號[4]。根據雙T接頭滿足對稱性和互易性以及H臂、E臂為隔離端口，因此魔T的參數矩陣可寫成：

(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)

根據矩陣乘法規則有：

|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)

適當地選擇魔T 各端口參考面的位置，可以使S13 和S14為：

則匹配魔T的散射參數矩陣為：

綜上，匹配魔T作為合成器時具有如下特性：

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

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

匹配魔T作為分路器時具有如下特性：

a)信號自E臂輸入，兩個主臂“1”，“2”等幅反向輸出，幅度為輸入信號的1/2，H臂為隔離端口，H臂為隔離端無信號輸出；

b)信號自H臂輸入，兩個主臂“1”，“2”等幅同向輸出，幅度為輸入信號的1/2，E臂為隔離端口，H臂為隔離端無信號輸出。

3 波導魔T電磁仿真設計

本文依據C頻段連續波大功率發射機研制需求，研究了波導魔T的工作原理，采用了在波導魔T內部加載錐體匹配方法，通過三維電磁仿真軟件HFSS優化仿真，實現了波導魔T全端口匹配目的，突破了波導魔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、結構緊湊的優點。

C波段波導魔T，利用三維電磁仿真軟件HFSS建模[5]，采用標準BJ48波導，波導寬邊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實現幾何形狀吻合錐體加半徑為r2的圓柱，通過對錐體位置、高度、半徑實現對H臂、E臂的調配，圓柱對H臂調配，通過HFSS參數目標優化最終實現了四端口的良好匹配。

圖1 C頻段波導合成器(魔T)仿真模型

波導魔T傳輸損耗、相位、端口隔離及各個端口回波損耗仿真結果如圖2、3所示，在工作頻率范圍內，實現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。依據仿真各項技術指標結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果

圖3 C頻段波導魔T端口隔離及回波損耗仿真結果

5 波導魔T結構形式和測試結果

根據C頻段波導魔T建模及仿真結果，對模型加工分為三個部分進行加工，分為：底部、頂部、錐體三個部分見圖1，通過簡單機械裝配的方法，采用合理控制加工誤差的方法，實現波導魔T整體的技術要求和結構要求，整體裝配圖見圖4。

通過M6的螺釘魔T結構件進行了裝配，裝配的實物見上圖4。采用矢量網絡分析儀對波導魔T各項技術指標進行了測試，測試結果見下圖5、6。

從圖6、7實際測試數據可以看出，波導魔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頻段連續波發射機進行了實驗驗證滿足大于1.5kW連續波功率容量的使用要求。

圖4 C頻段波導魔T結構件實物圖

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 結束語

本文通過三維電磁仿真軟件HFSS 對C頻段波導魔T建模并進行了優化仿真，得到了滿足加工要求的尺寸，采用了合理可行的結構形式，并進行了加工、裝配、測試，在設計的工作頻段內，獲得了優良的傳輸、回波損耗、端口隔離度以及相位一致性，成功應用在C頻段固態連續波發射機功率合成，取得了理想的效果，對其他頻段波導合成器魔T的設計具有一定的參考價值。

[1] 韓來輝，姚愛田，余海.二進制寬帶毫米波合成器設計與分析[J].火控雷達技術，2016，45(2)：67-72.

[2] 杜侖銘，徐可榮。 寬帶波導魔T 的設計[J]. 船舶電子對抗，2006，29(3)：52-54.

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

[4] 顧繼慧.微波技術 [M] 2005.3

[5] 謝擁軍，王鵬，李磊等.Ansoft HFSS基礎及應用[M].西安電子科技大學出版社，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， 高級工程師。研究方向為高功率微波技術。