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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

2015/1/25    来源:ANSYS    作者:陈海东  侯文杰  车文荃  冯文杰      
关键字:基片集成波导  单脉冲  馈电网络  HFSS  
本文介绍了基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)以及单脉冲天线的基本工作原理。重点对基片集成波导金属化孔的网格划分进行了仿真分析,并以此为基础,根据工程需求设计了Ku波段的电大尺寸馈电网络,测试结果表明了模型优化的可行性,同时也再次验证了HFSS软件对基片集成波导电路的设计起着极为重要的作用。

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

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

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

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

图3 基片集成波导的网格划分

责任编辑:吴星星
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