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HFSS15在基片集成波导单脉冲馈电网络仿真中的应用

2015-07-02 17:30:06

[导读] 本文基于上述考虑,结合单脉冲网络的项目需求,运用HFSS软件,采用优化设计模型,设计了基片集成波导的单脉冲馈电网络。在考虑到各项误差后,测试结果和仿真结果基本吻合,从而证明优化模型在基片集成波导设计中的高效性,也证明HFSS在电路设计过程中的实用价值。

1、前言

Hirokawa 和Ando于1998年首先提出了基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW),即在介质基片中制作两排金属化通孔,与上下表面围成准封闭的导波结构。相对于传统的金属波导,SIW体积小、重量轻;同 时,相对于微带线等传统电路,SIW损耗小、辐射低。吴柯教授以及其他的专家学者对SIW进行了数值分析、建模及特性分析,并实现了各类高性能的器件,例 如滤波器、定向耦合器、移相器、天线单元及阵列等。然而在实际工程应用中,单一器件往往不能满足系统需求,各组件、部件乃至各子系统一般都要求尽可能使用 同一种传输线,从而保证内部连接更为紧凑,使得损耗更小,性能稳定。由于基片集成波导的结构包含大量金属化圆孔,仿真软件在仿真的时候,往往导致计算机内 存不够而运行终止,或者占用内存较大而降低仿真效率。

本文基于上述考虑,结合单脉冲网络的项目需求,运用HFSS软件,采用优化设计模型,设计了基片集成波导的单脉冲馈电网络。在考虑到各项误差后,测试结果和仿真结果基本吻合,从而证明优化模型在基片集成波导设计中的高效性,也证明HFSS在电路设计过程中的实用价值。

2、基于基片集成波导的单脉冲馈电网络

2.1、基片集成波导

 

图1、基片集成波导结构

基 片集成波导(Substrate integrated waveguide,SIW)是一种新的微波传输线形式,其利用金属过孔或金属柱,在介质基片上实现波导的场传播模式,如图1所示。由于其传播模式和传统 的金属波导相同,因此在电性能上,其等效为一段填充有介质的金属波导,等效宽度可由等效公式进行计算。

 

公式1 等效宽度的计算公式

其中a'为基片集成波导的宽度,W是金属化孔间距,R是金属化孔的半径,而a为填充介质的等效金属波导宽度。为提高仿真效率同时防止电磁波从金属化孔间泄露,一般取3R≤W≤4R。

2.2、单脉冲馈电网络

 

图2、单脉冲网络

在机载和弹载系统中,广泛采用平板式的单脉冲天线,如图2所示。这种单脉冲天线在物理上被划分成四个象限(1-4),每个象限射频信息(E1-E4)通过多层馈电网络合成后汇聚到单脉冲比较器(I-III),单脉冲比较器作为整个单脉冲天线的关键部件,把四个象限的射频信号合成为一个和波束(EΣ),两个正交差波束(EΔα、EΔβ)方向图。

3、单脉冲馈电网络的HFSS仿真

3.1、优化模型

 

图3、基片集成波导的网格划分

大 型基片集成波导电路往往金属化孔的数量较多,这些金属化孔是弧面。在HFSS中,为了保证仿真的精度,弧面所需的网格数量往往远大于平面。图3是工作在X 波段的基片集成波导传输线。基片宽度14mm,金属化孔的半径为0.25mm,默认的圆柱面的划分为0,网格数量为19953,从图中也可以明显看出金属 化孔的区域自适应的加密程度远大于其它区域。

优化模型的关键在于调整圆柱面的划分数量,从而使得网格的数量下降到计算机内存可接受的程度, 但是同时又要保证仿真的正确性。图4是对图3所示传输线进行仿真的结果,对于金属化孔,默认的圆弧面网格划分数量为16。从图4中可以看出随着划分数量从 16降低到6,网格划分对应的数量从19953降低到5455,而回波损耗的误差约0.5dB左右,插入损耗误差小于0.02dB,相位的误差小于1度。 当然,不同复杂程度的模型对应不同程度的误差量级,因此兼顾到效率和运算精度,最终取圆弧面的网格划分数量为10。

 

图4、圆弧面网格划分不同数量下的仿真结果。a)回波损耗;b)插入损耗;c)相位差异;d)网格数量

3.2、设计实例

工程实际需求的基片集成波导单脉冲馈电网络工作在Ku波段,它主要由四个3-dB电桥,四个90度移相器,以及四个1:8功率分配网络组成,如图5(a)所示。其中输入口为端口1-4,共四个,1口为EΣ,2口和3口分别为EΔα和EΔβ, 而4口称为Q口,一般接匹配负载;输出口为端口5-36,共32个。图5(b)为整个系统在HFSS中的仿真模型,其中1-4口,SSMA水平输 入,5-36口SMP垂直输出,基片集成波导主体电路通过基片集成波导/微带过渡到同轴端口。设计的印制板采用厚度为1.016mm的Rogers RT-6002,该介质板介电常数为2.94,由于参杂了陶瓷粉,因此质地较硬,同时相位的温度稳定性较好,特别适合高频使用。由于本设计要求工作在Ku 波段,因此金属化孔的半径为0.2mm。采用IBM服务器X3650(2xE5620,64G内存)最终经过8次的迭代,如图5(c)所示。

 

图5、基片集成波导单脉冲网络的原理图(a),仿真模型(b),仿真收敛状态(c)以及实物图(d)

加 工完成的实物图如图5(d)所示,整个馈电网络的尺寸为146.5mm╳140mm,由于印制板和结构件的公差配合,印制板的尺寸比结构件的腔体要稍微小 一些,因此印制板和腔体壁之间有一定的间隙,间隙的存在影响了系统的匹配,因次通过增加额外的调配手段(TuNIng Point),使得系统匹配。样件的测试基于40GHz网络分析仪,最终测试的结果,如图6。

 

图6、基片集成波导单脉冲网络的测试和仿真对比结果:总端口回波损耗(a),总端口间的隔离度(b),分端口幅度均方差(c)以及分端口相位均方差(d)

4、结论

介 绍了基片集成波导以及单脉冲天线的基本工作原理,并根据工程需求,利用优化的金属化孔模型,在保证仿真精度的前提下,使得仿真的效率进一步提高;最终设计 了Ku波段的电大尺寸馈电网络,在6%的带宽内总口回波损耗好于10dB,隔离大于25dB,32个输出端口的幅度均方误差小于0.5dB,相位误差小于 6度。

[整理编辑:中国测控网]
标签:  基片集成波导[17]
 
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