微波無源器件的分析和設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間：2020-11-16 22:38

　　微波和毫米波無源器件是微波和毫米波系統(tǒng)的重要組成部分。改進(jìn)無源器件的各項(xiàng)電氣指標(biāo),提高設(shè)計(jì)精度,縮短其設(shè)計(jì)周期,降低其體積和重量以及成本,是一大趨勢,或追求的目標(biāo),因此,有必要研究快速準(zhǔn)確的分析設(shè)計(jì)方法。本文利用全波分析法對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的一些不連續(xù)性進(jìn)行了分析,并結(jié)合多種微波無源器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論,設(shè)計(jì)并優(yōu)化了多種微波無源器件。設(shè)計(jì)了橫向膜片帶通濾波器,低通濾波器,縱向金屬插片的帶通濾波器,波導(dǎo)腔體濾波器,消失模濾波器,雙工器或多工器、阻抗變換器、耦合器等多種微波無源器件。同時(shí)給出了自編程序的計(jì)算數(shù)據(jù)和商業(yè)軟件仿真數(shù)據(jù),以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比圖。在設(shè)計(jì)這些微波無源器件時(shí),也針對某些類型的器件,提出了通用化的設(shè)計(jì)方法,以及新的精確的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。最后,對微波濾波器的物理尺寸誤差進(jìn)行了分析,對實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。本文所取得研究成果可以分為以下三個(gè)主要方面:(1)采用全波分析方法對波導(dǎo)階梯、橫向金屬膜片、縱向E面金屬插片、波導(dǎo)T型結(jié)、彎波導(dǎo)和脊波導(dǎo)進(jìn)行了分析,獲得了各自的廣義散射矩陣(GSM):A)應(yīng)用模式匹配法(MMM),匹配波導(dǎo)不連續(xù)性處的橫向電場和橫向磁場,對矩形波導(dǎo)橫向膜片、矩形波導(dǎo)ET和HT進(jìn)行了詳細(xì)分析,給出了通用結(jié)構(gòu)的廣義散射矩陣。B)用不連續(xù)性兩邊復(fù)功率守恒(CCPT)的匹配來代替橫向磁場的匹配,采用該方法對任意金屬條帶結(jié)構(gòu)的E面金屬插片進(jìn)行了場分析。C)利用橫向諧振法獲得脊波導(dǎo)的TM和TE模式的截止波數(shù)的超越方程,并使用二分法求解該方程,然后應(yīng)用橫向電場和橫向磁場的匹配,分析了矩形波導(dǎo)到脊波導(dǎo)的不連續(xù)性。D)在矩形彎波導(dǎo)的分析中,由于整個(gè)圓弧段的電磁場展開式難以獲得,因此首先將圓弧段的赫姆赫茲方程轉(zhuǎn)化為本征值問題,然后結(jié)合模式匹配法,可以獲得整個(gè)不連續(xù)性的廣義散射矩陣。(2)基于傳統(tǒng)倒置器模型可以設(shè)計(jì)窄帶波導(dǎo)帶通濾波器,但在寬帶波導(dǎo)帶通濾波器的設(shè)計(jì),經(jīng)常會出現(xiàn)帶內(nèi)回波損耗不夠好,中心頻率偏離等問題。應(yīng)用分布階梯阻抗倒置原型的帶通濾波器可以做到更寬的帶寬和良好的回波損耗。此外,利用成熟的交叉耦合濾波器的綜合理論,得到了交叉耦合濾波器的M矩陣。結(jié)合較快的分析和優(yōu)化方法,對各種微波無源器件進(jìn)行了優(yōu)化:A)采用改進(jìn)的微種群遺傳算法對理想阻抗變換器和矩形波導(dǎo)阻抗變換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,可以獲得更好的優(yōu)化初值,且可以更快地獲得矩形波導(dǎo)阻抗變換器的物理尺寸。B)在橫向金屬膜片的帶通濾波器的設(shè)計(jì)中,提出了一種通用化的設(shè)計(jì)方法。通過這種方法獲得的窄帶濾波器的物理尺寸不需要進(jìn)行再優(yōu)化。設(shè)計(jì)了幾種橫向金屬插片濾波器,討論了實(shí)際設(shè)計(jì)中濾波器指標(biāo)與物理尺寸之間的關(guān)系。C)研究了縱向金屬插片濾波器進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了窄帶和寬帶的此類帶通濾波器。D)對具有較為規(guī)則結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)腔體濾波器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了四腔波導(dǎo)腔的交叉耦合濾波器。使用這種結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種六腔波導(dǎo)腔體雙寬帶濾波器。在設(shè)計(jì)這種交叉耦合濾波器時(shí),通過交叉耦合濾波器的理論,得到交叉耦合濾波器的耦合矩陣。利用矩陣?yán)锏挠行г睾腿ǚ治龇椒?可得到不同耦合腔的初始尺寸,并可其進(jìn)行優(yōu)化。E)優(yōu)化設(shè)計(jì)了脊波導(dǎo)消失模帶通濾波器和雙帶通濾波器。F)對帶有直角彎角的矩形波導(dǎo)帶通濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。G)提出了雙工器和多工器的通用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,對多種雙工器和五路器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。(3)微波濾波器的優(yōu)化值,往往和實(shí)際應(yīng)用時(shí)加工出來的尺寸是有偏差的。對E面金屬插片濾波器進(jìn)行物理尺寸的誤差分析。雖然此分析主要是數(shù)值上的,但通過不同情況的分析,可以對設(shè)計(jì)、加工、調(diào)試橫向金屬膜片和縱向金屬插片濾波器時(shí)有很好的借鑒作用。此外,還對波導(dǎo)感性膜片的彎角進(jìn)行了分析,通過分析可以得知,應(yīng)用全波分析方法,來獲得此類濾波器的理論上的物理優(yōu)化值時(shí),通常情況,不需要考慮膜片或波導(dǎo)彎角處的彎角尺寸。本文給出了大量無源器件的全波分析方法和HFSS的仿真比較,以及實(shí)測數(shù)據(jù),結(jié)果表明,仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合很好。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN713
【部分圖文】：

示意圖,波導(dǎo),簡單結(jié)構(gòu),不連續(xù)性

西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文)式，系數(shù)ma 可以表達(dá)為： 21110 0 2 12sin sinxm kxkm ka b x x x x x x x 地求得： 21112 1 2 1 02sin sinxk mxmk mb a x x x x x x x )在無窮級數(shù)展開式被截?cái)嗪罂梢跃鶎懗删仃囆蔚年P(guān)系。通過在公共區(qū)間匹配展開級數(shù)可以之間的關(guān)系。接下來使用一個(gè)簡單的一維邊界方法的基本原理，如圖 2.1 為兩個(gè)矩形波導(dǎo)的

收斂性分析