CN101556623B - 基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法，包括：建立2×2单面双鳍线阵的仿真模型，对该仿真模型进行仿真得到2×2单面双鳍线阵的散射特性；将Klopfenstein理论应用在鳍线结构中，根据数值迭代方法得到固定长度的反射系数最小的鳍线结构，通过商用计算软件得到双鳍线的横向节点所对应的有效介电常数；将得到的有效介电常数与散射特性进行结合，得到鳍线不同节点处对应的鳍缝隙的宽度，进而得到鳍线的鳍缝隙随横向节点的变换曲线，通过商用绘图软件绘制该曲线，得到优化后的基于方波导的2×2单面双鳍线阵。本发明有效的避免了复杂的数值计算，采用成熟的电磁场仿真软件，缩短了设计周期。

Description

基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法

技术领域

本发明涉及到微波毫米波段平面传输线设计技术领域，尤其涉及一种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法。

背景技术

在微波和毫米波的各种应用系统中，如：雷达、制导、遥感以及通讯系统中，作为其主要组成部分，毫米波固态功率放大器犹如这些设备的“心脏”，成为毫米波研究领域最为重要的研究方向。

行波管放大器(TWTA)由于其大功率、宽带以及高效率等优点是目前应用最为广泛的毫米波功率源。然而TWTA自身存在体积大、重量重以及造价高等固有的缺点。随着MMIC技术的发展，固态微波和毫米波放大器表现出体积小、重量轻、低电压、线性好和可靠性高等优点，从而使得固态放大器及其功率合成技术逐渐被国内外的研究机构所重视。

基于波导技术的宽带空间功率放大模块结构最早由Alexanian和York在1997年提出。一般采用立体多层结构，在每一层上集成了输入输出鳍线阵、阻抗匹配微带线阵和微波单片集成功率管(MMIC PA)。空间功率合成模块工作时，从波导中入射的电磁波耦合到输入鳍线阵中，其总功率被分割成相等的若干份，每一份沿着对应的渐变鳍线无反射的传输，通过输入阻抗匹配微带线阵传输到MMIC PA中，经过PA管放大后又通过输出匹配微带线和输出鳍状天线阵无反射的传输，并辐射到输出波导空间，从而最终得功率的放大。

鳍线可以很好的实现立体传输系统同平面电路的结合，在空间功率合成模块中它既是功率分配器又是阻抗变换器。在波导基鳍线阵的设计中最关键的部分是得到鳍线的散射特性，目前主要采用下面两种方案得以实现：

1)频域有限差分法(FDFD)，采用该方法可以得到二维鳍线阵的散射特性，主要包括传播常数、特征阻抗、功率密度和电流密度等相关参量。

图1为FDFD分析2×2波导基鳍线阵的结构示意图。单面双鳍线阵对称的放置在方波导腔101内部，双鳍线的金属鳍103制作在高频介质板102的一侧。FDFD方法首先需要设定计算区域，根据方波导101的对称性，可以看到在方波导101内部存在理想磁壁104和理想电壁105，这样就可以把计算区域设置为方波导101的左上部分，从上向下依次包括真空层107、金属层103、介质层102、真空层107。在确定了计算区域以后，利用改进的麦克斯韦方程组，可以得到不同层所对应的有限元方程。

该有限元方程依据设计好的边界条件可以进一步转换为标准的大尺寸稀疏本征方程，为了求解该方程需要采用商用的ARPACK软件，利用迭代方法最终得到2×2单面双鳍线阵的散射特性，从而得到金属鳍的不同鳍缝隙宽度106下所对应的传播常数、有效介电常数以及特征阻抗等。

2)频谱法(SDM)，以2×2的单面双鳍线阵为例，首先将鳍线结构通过谱域中的伽略金法得到该双鳍线结构的TE等效电路201和TM等效电路202如图2所示。在设定了TE等效电路201的电压源203和TM等效电路202的电压源204之后，可以得到TE和TM的等效电路方程，然后采用坐标变换，通过卷积运算得到等效电路方程中的阻抗矩阵元素，最后将阻抗矩阵代入到电路方程中通过数值求解可以求出鳍线的散射特性，即鳍线的特征阻抗、有效介电常数等参量随鳍缝隙106的变化曲线。

无论采用上述何种方案，都需要复杂的数学运算而且计算量大，这将直接导致设计周期长、设计效率低、设计流程不直观等问题。为简化该步设计流程，本方面提出建立合理的基于方波导的单面双鳍线阵模型，在商用电磁场仿真软件环境下进行电磁仿真，从而得到鳍线阵的散射特性。本发明只需要建立简单的模型、设置合理的边界条件和激励源，在PC机上进行仿真就可以得到所需要的鳍线阵的散射特性。因此采用该方法可以节省设计时间、避免复杂的数学计算，同时具有可扩展性，推进了鳍线设计的实用化进程。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本方面的主要目的在于提供一种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法，以简化基于方波导的2×2单面双鳍线阵的设计流程，使设计流程更加透明化，缩短设计周期，方便双鳍线的优化设计。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法，该方法包括：

A、建立2×2单面双鳍线阵的仿真模型，对该仿真模型进行仿真得到2×2单面双鳍线阵的散射特性；其中，该仿真模型为2×2单面双鳍线阵左上方四分之一区域的仿真模型，2×2鳍线阵固定在方波导宽壁中心上下对称的位置上，双鳍线具有对称结构，2×2鳍线阵的边界条件包括波导的理想电壁、理想磁壁和对称边界，2×2鳍线阵的激励条件为双鳍线输入端面的波导激励；

B、将Klopfenstein理论应用在鳍线结构中，根据数值迭代方法得到固定长度的反射系数最小的鳍线结构，通过商用计算软件得到双鳍线的横向节点所对应的有效介电常数；

C、将步骤B得到的有效介电常数与步骤A得到的散射特性进行结合，得到鳍线不同节点处对应的鳍缝隙的宽度，进而得到鳍线的鳍缝隙随横向节点的变换曲线，通过商用绘图软件绘制该曲线，得到优化后的基于方波导的2×2单面双鳍线阵。

优选地，步骤A中所述散射特性至少包括传播常数、有效介电常数以及有效介电常数随鳍缝隙的变化曲线。

优选地，所述2×2单面双鳍线阵左上方四分之一区域的仿真模型采用的高频介质板为氮化铝陶瓷介质基板、氧化铝陶瓷介质基板或聚四氟乙烯高频介质基板，采用的波导腔体为铝质或铜质的标准方波导腔体。

优选地，步骤A中所述对仿真模型进行仿真，是在固定频率的情况下，通过设置鳍缝隙参量，采用ansoft公司的高频电磁场仿真软件HFSS对仿真模型进行仿真，得到不同的鳍缝隙所对应的有效介电常数。

优选地，步骤B中所述数值迭代方法是通过通用的Klopfenstein理论推导出来，所述的商用计算软件是MATLAB计算软件。

优选地，步骤C中所述将步骤B得到的有效介电常数与步骤A得到的散射特性进行结合，是将步骤B得到的有效介电常数与步骤A得到的散射特性中的有效介电常数随鳍缝隙的变化曲线进行结合；所述商用绘图软件，是AutoCAD软件。

优选地，该方法进一步包括：

D、将得到的2×2单面双鳍线阵放置在标准波导腔体中，通过电磁场仿真软件得到鳍线的输出阻抗以及吸收特性。

优选地，步骤D中所述电磁场仿真软件为ansoft公司的高频电磁场仿真软件HFSS。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法，波导基2×2单面双鳍线阵易于在方波导中实现，具有插入损耗小、回波特性好、能有效地实现立体传输系统与平面电路的有机结合，是空间功率合成模块中传输线的最佳选择。

2、本发明提供的这种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法，2×2单面双鳍线阵适用于微波、毫米波电路系统，该设计方法使得单面双鳍线阵的设计周期大幅缩短，从而有效地降低成本，可以应用于多种低成本的微波、毫米波电路中。

3、本发明提供的这种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法，2×2单面双鳍线阵不仅具有能量分配功能，还具有阻抗变换功能，因此适用于各种阻抗不同的有源和无源器件的连接。

4、本发明提供的这种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法，采用印制电路板技术制作出来的单面双鳍线是立体传输系统与平面电路的巧妙结合体，具有体积小、重量轻、功耗低、频带宽、可靠性高、成本低、以及可批量生产等优点，可以与有源和无源器件结合形成不同的电路，尤其在频率大于30GHz以上的器件、电路和模块中常用鳍线取代微带线和槽线。

5、本发明提供的这种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法，方波导基鳍线阵广泛应用于空间功率合成模块中，作为平面传输线起到功率分配和功率合成的作用，具有频带宽、插入损耗低、回波特性好等特点。可以应用于不同频段的空间功率合成模块中，是一种简单实用的微波集成电路传输线。

附图说明

图1为FDFD分析2×2波导基单面双鳍线阵的结构示意图；

图2为频谱法(SDM)分析2×2波导基单面双鳍线阵的等效电路图；

图3为本发明提供的制作基于方波导的2×2单面双鳍线阵的方法流程图；

图4为本发明在HFSS中建立的2×2波导基单面双鳍线阵的仿真模型的结构示意图；

图5为本发明提供的X波段2×2单面双鳍线阵的有效介电常数随鳍缝隙106的仿真曲线；

图6为本发明提供的单面双鳍线的结构尺寸示意图；

图7为本发明提供的X波段单面双鳍线优化后的结构示意图；

图8为本发明提供的X波段单面双鳍线阵对称放置在标准方波导中在HFSS中建立的模型示意图；

图9本发明提供的X波段2×2单面双鳍线阵输出端分别接30欧姆、100欧姆、70欧姆负载时所对应的回波损耗曲线；

图10为本发明提供的X波段2×2单面双鳍线阵输出端接75欧姆负载时对应的回波损耗曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明采用商用电磁场仿真软件得到方波导中两层双鳍线的不同缝隙宽度所对应的有效介电传播常数，将仿真数据制作成表格以便查用，之后采用Klopfenstein理论优化双鳍线，通过循环迭代的数值计算在商用计算软件中得到双鳍线的横向不同节点处对应的有效介电传播常数，结合仿真绘制的数值表格，采用数值插值方法可以得到双鳍线的横向不同节点处所对应的缝隙宽度，从而可以设计出优化后的性能良好的两层单面双鳍线。

如图3所示，图3为本发明提供的制作基于方波导的2×2单面双鳍线阵的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤301：建立2×2单面双鳍线阵的仿真模型，对该仿真模型进行仿真得到2×2单面双鳍线阵的散射特性；

在本步骤中，所述仿真模型为2×2单面双鳍线阵左上方四分之一区域的仿真模型，所述散射特性至少包括传播常数、有效介电常数以及有效介电常数随鳍缝隙的变化曲线。所述2×2单面双鳍线阵左上方四分之一区域的仿真模型中，2×2鳍线阵固定在方波导宽壁中心上下对称的位置上，双鳍线具有对称结构，2×2鳍线阵的边界条件包括波导的理想电壁、理想磁壁和对称边界，2×2鳍线阵的激励条件为双鳍线输入端面的波导激励。所述2×2单面双鳍线阵左上方四分之一区域的仿真模型采用的高频介质板为氮化铝陶瓷介质基板、氧化铝陶瓷介质基板或聚四氟乙烯高频介质基板，采用的波导腔体为铝质或铜质的标准方波导腔体。所述对仿真模型进行仿真，是在固定频率的情况下，通过设置鳍缝隙参量，采用ansoft公司的高频电磁场仿真软件HFSS对仿真模型进行仿真，得到不同的鳍缝隙所对应的有效介电常数。

步骤302：将Klopfenstein理论应用在鳍线结构中，根据数值迭代方法得到固定长度的反射系数最小的鳍线结构，通过商用计算软件得到双鳍线的横向节点所对应的有效介电常数；

在本步骤中，所述数值迭代方法是通过通用的Klopfenstein理论推导出来，所述的商用计算软件是MATLAB计算软件。

步骤303：将步骤B得到的有效介电常数与步骤A得到的散射特性进行结合，得到鳍线不同节点处对应的鳍缝隙的宽度，进而得到鳍线的鳍缝隙随横向节点的变换曲线，通过商用绘图软件绘制该曲线，得到优化后的基于方波导的2×2单面双鳍线阵；

在本步骤中，所述将步骤B得到的有效介电常数与步骤A得到的散射特性进行结合，是将步骤B得到的有效介电常数与步骤A得到的有效介电常数随鳍缝隙的变化曲线进行结合；所述商用绘图软件，是AutoCAD软件。

该方法在步骤303之后还可以进一步包括：

步骤304：将得到的2×2单面双鳍线阵放置在标准波导腔体中，通过电磁场仿真软件得到鳍线的输出阻抗以及吸收特性。

基于图3所示的制作基于方波导的2×2单面双鳍线阵的方法流程图，以下结合具体的实施例对本发明制作基于方波导的2×2单面双鳍线阵的方法进一步详细说明，该实施例主要包括以下四个步骤：

步骤1：建立合理的模型，采用商用电磁场仿真软件得到2×2单面双鳍线阵的散射特性。

如图4所示，首先在HFSS中建立2×2单面双鳍线阵左上方四分之一区域的仿真模型。依据对称性，在四分之一波导空间内放置鳍线，该鳍线制作在介质基板102的一侧，主要包括金属鳍103和鳍缝隙106，其中鳍缝隙106设置为仿真变量。方波导侧壁的边界设置依次为理想电壁401、理想电壁402、E面对称403和H面对称404。激励源设置在方波导的波导口405处，激励条件为波导激励。考虑到设计的是X波段单面双鳍线阵，选择波导尺寸为5.08mm×11.43mm，介质基板为介电常数为8.6的ALN基片，基片厚度为0.235mm。

依据建立的模型，在固定频率10GHz下，可以仿真得到鳍线的传播常数、有效介电常数随鳍缝隙106的变化曲线。图5为X波段2×2单面双鳍线阵的有效介电常数随鳍缝隙106的变化曲线。

步骤2：采用Klopfenstein理论进行天线的优化设计。

Klopfenstein理论是基于小波反射理论，将变换长度划分为多节，在保证每一节均存在最小反射系数下推导而来。对于Non-TEM结构，由于传播常数是色散的，因此采用波阻抗代替特征阻抗，从而求出每一节上的传播常数。其对应的公式为：

$\mathrm{\β}(f,z)=\sqrt{{\mathrm{\β}}_L{\mathrm{\β}}_0}\exp (-{\mathrm{\Γ}}_m{A}^2\mathrm{\φ}(\frac{2\mathrm{\θ}(f,z)}{{\mathrm{\θ}}_t}-1,A))---\left(1\right)$

$\mathrm{\θ}\left(z_i\right)=\underset{k=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}2\mathrm{\β}\left(z_k\right)\mathrm{\Δz}=\mathrm{\θ}\left(z_{i-1}\right)+2\mathrm{\β}\left(z_{i-1}\right)\mathrm{\Δz}---\left(2\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\ω\μ}}{Z_{\mathrm{TE}}};$ $A={\cosh }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\Γ}}_0}{{\mathrm{\Γ}}_m}\right);$ ${\mathrm{\Γ}}_0=\frac{1}{2}\ln \left(\frac{Z_L}{Z_0}\right)$

其中： $\mathrm{\φ}(x,A)=-\mathrm{\φ}(-x,A)=\underset{0}{\overset{x}{\∫}}\frac{I_1\left(A\sqrt{1-y^2}\right)}{A\sqrt{1-y^2}}\mathrm{dy}$

当求解上面的式子时，需要确定几个初始值，分别为输入输出波阻抗Z_L、Z₀，总长度L以及对应的节数N。选取L的时候应该满足βL＞A。选取Z_L、Z₀的值是应依据图6所示的双鳍线的结构尺寸，输入单面双鳍缝隙宽度601取决于方波导的窄边宽度，输出鳍缝隙宽度602取决于单面双鳍线所要求的输出特征阻抗。根据前面仿真得到单面双鳍线的相传播常数随鳍缝隙宽度的变化曲线，可以确定Z₀和Z_L的初始值。

之后设定θ_t的初始值，根据(1)式可以求出β(z₀)，然后将β(z₀)再代入(2)中可以求出θ(z₁)，依次叠代，可以最终求出一系列的β(z_i)和θ(z_i)(i＝1 to N)。此时将θ_t＝θ(z_N)作为初始值重新代回到(1)和(2)式中又可以求出一系列新的β(z_i)和θ(z_i)，最终以β(z_i)收敛为判定条件从而结束叠代。该算法可以在MATLAB计算软件中实现，最终可以得到单面双鳍线阵横向不同节处的对应的相传播常数。表1为X波段单面双鳍线设计对应参量的初始值设置表。

L(mm)	N	ΔL(mm)	Z<sub>0</sub>	Z<sub>L</sub>	Γ<sub>m</sub>
						17.5	50	0.35	240	421	0.1

表1

下面给出的是运行Mat lab后各个节点所对应的相传播常数。

Columns 1 through 8

312.9406  310.6071  308.1498  305.5782  302.9023  300.1328

297.2810  294.3583

Columns 9 through 16

291.3763  288.3466  285.2805  282.1890  279.0828  275.9720

272.8661  269.7739

Columns 17 through 24

266.7037  263.6631  260.6589  257.6971  254.7833  251.9223

249.1183  246.3748

Columns 25 through 32

243.6948  241.0810  238.5352  236.0592  233.6540  231.3206

229.0593  226.8706

Columns 33 through 40

224.7542  222.7100  220.7374  218.8359  217.0045  215.2426

213.5489  211.9223

Columns 41 through 48

210.3618  208.8659  207.4335  206.0631  204.7535  203.5031

202.3105  201.1745

Columns 49 through 51

200.934  199.0659  198.0907

步骤3：制作鳍线。

单面双鳍线的有效介电常数同相传播常数始终满足下面的关系式：

${\mathrm{\ϵ}}_{r,\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{\β}}^2}{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}---\left(3\right)$

将步骤2计算得到的相传播常数转换为有效介电常数，结合步骤1得到的鳍线不同鳍缝隙对应的有效介电常数曲线，就可以得到鳍线不同节点处对应的鳍缝隙的宽度。如图7为X波段单面双鳍线阵优化后的结构示意图。

步骤4：HFSS仿真鳍线的输出阻抗以及吸收特性

将设计完成的单面双鳍线阵放置在标准波导腔体中，模型结构示意图如图8所示。方波导侧壁的边界设置依次为理想电壁801、理想电壁802、理想电壁803和理想电壁804。激励源设置在方波导的波导口808处，激励条件为波导激励。在方波导宽边中心上下对称位置放置单面双鳍线，该双鳍线在介质基板805的一侧，鳍线结构806采用步骤3设计优化后的Klopfenstein形状，在鳍线的输出端连接不同阻值的贴片电阻807。仿真可以得到不同输出阻抗的鳍线的回波特性，如图9所示。图中分别对应输出阻抗为30欧姆901、100欧姆902、70欧姆903时，2×2单面双鳍线阵在7.5GHz-12.5GHz的回波特性。从图中可以看到该鳍线的输出阻抗在70欧姆附近。当输出阻抗设置为75欧姆时，建立图8所示的模型，通过仿真可以得到2×2单面双鳍线阵的回波损耗如图10所示。从仿真结果可以看到该双鳍线阵在较宽频带内(7.5GHz-12.5GHz)的回波损耗均大于17dB，与设计目标回波损耗为20dB(Γ_m＝0.1)基本吻合，从而设计实现了2×2单面双鳍线阵。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法，其特征在于，该方法包括：

A、建立2×2单面双鳍线阵的仿真模型，对该仿真模型进行仿真得到2×2单面双鳍线阵的散射特性；其中，该仿真模型为2×2单面双鳍线阵左上方四分之一区域的仿真模型，2×2鳍线阵固定在方波导宽壁中心上下对称的位置上，双鳍线具有对称结构，2×2鳍线阵的边界条件包括波导的理想电壁、理想磁壁和对称边界，2×2鳍线阵的激励条件为双鳍线输入端面的波导激励；

B、将Klopfenstein理论应用在鳍线结构中，根据数值迭代方法得到固定长度的反射系数最小的鳍线结构，通过商用计算软件得到双鳍线的横向节点所对应的有效介电常数；

C、将步骤B得到的有效介电常数与步骤A得到的散射特性进行结合，得到鳍线不同节点处对应的鳍缝隙的宽度，进而得到鳍线的鳍缝隙随横向节点的变换曲线，通过商用绘图软件绘制该曲线，得到优化后的基于方波导的2×2单面双鳍线阵。

2.根据权利要求1所述的基于方波导的2×2单面双鳍线阵的设计方法，其特征在于，步骤A中所述散射特性至少包括传播常数、有效介电常数以及有效介电常数随鳍缝隙的变化曲线。

3.根据权利要求1所述的基于方波导的2×2单面双鳍线阵的设计方法，其特征在于，所述2×2单面双鳍线阵左上方四分之一区域的仿真模型采用的高频介质板为氮化铝陶瓷介质基板、氧化铝陶瓷介质基板或聚四氟乙烯高频介质基板，采用的波导腔体为铝质或铜质的标准方波导腔体。

4.根据权利要求1所述的基于方波导的2×2单面双鳍线阵的设计方法，其特征在于，步骤A中所述对仿真模型进行仿真，是在固定频率的情况下，通过设置鳍缝隙参量，采用ansoft公司的高频电磁场仿真软件HFSS对仿真模型进行仿真，得到不同的鳍缝隙所对应的有效介电常数。

5.根据权利要求1所述的基于方波导的2×2单面双鳍线阵的设计方法，其特征在于，步骤B中所述数值迭代方法是通过通用的Klopfenstein理论推导出来，所述的商用计算软件是MATLAB计算软件。

6.根据权利要求2所述的基于方波导的2×2单面双鳍线阵的设计方法，其特征在于，步骤C中所述将步骤B得到的有效介电常数与步骤A得到的散射特性进行结合，是将步骤B得到的有效介电常数与步骤A得到的散射特性中的有效介电常数随鳍缝隙的变化曲线进行结合；所述商用绘图软件，是AutoCAD软件。

7.根据权利要求1所述的基于方波导的2×2单面双鳍线阵的设计方法，其特征在于，该方法进一步包括：

D、将得到的2×2单面双鳍线阵放置在标准波导腔体中，通过电磁场仿真软件得到鳍线的输出阻抗以及吸收特性。

8.根据权利要求7所述的基于方波导的2×2单面双鳍线阵的设计方法，其特征在于，步骤D中所述电磁场仿真软件为ansoft公司的高频电磁场仿真软件HFSS。

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