插入介质波导的一种新型馈电结构
05-08
插入介质波导的一种新型馈电结构
摘 要 提出一种插入介质波导的新型馈电结构。该结构针对插入介质波导的场分布，直接采用微带线进行馈电。该方法简单易行，较传统的矩形波导馈电更加方便。文中采用基于有限元方法的商业软件HFSS对馈电结构进行优化设计，实测结果与仿真结果吻合良好，说明该馈电方式是行之有效的。
关键词 插入介质波导，微带线，馈电结构，人工神经网络
Abstract A novel feeding structure for inset dielectric guide is presented. According to the field distribution, microstrip line was connected to the inset dielectric guide directly. In this paper, HFSS was used to perform optimum design of the feeding structure. To validate the analysis results, a transition was designed and measured. Good agreements between the experimental and simulative results were obtained.
Key words inset dielectric guide, microstrip line, feeding structure, artificial neural network
1 引 言
随着电子技术的发展和应用需求的提高，微波工程正向着毫米波/亚毫米波波段高速延伸，毫米波技术研究和应用的首要问题就是电磁能量的传输。由于工作频率的提高，金属波导的导体损耗急剧增加，而鳍线和微带线等传输线则对加工工艺要求过高，不利于大规模应用。介质波导具有低损耗、较大的横向尺寸、易于加工和弱加工公差等优点，适合于毫米波的传输。因此，介质波导在毫米波/亚毫米波波段有着广阔的应用前景，对此进行深入研究具有重要的现实意义。
镜像线是公认的低损耗传输线，但是其最大的缺点在于对加工工艺要求较高，并且在构成器件时会产生较大的辐射。为了更好地限制电磁波在介质中传播，T. Itoh等提出了陷波镜像波导，但是对于小尺寸，这种导波结构更加难于加工。为了克服以上缺点，S. C. Gratze提出了插入介质波导。插入介质波导具有陷波镜像波导的优点，并且对加工工艺要求较低。
T. ROZZI曾采用矩形波导对插入介质波导进行馈电，这种方法思路直接，但是这种方式占用体积较大。
(a) (b)
图1 主模电场分布
(a)插入介质波导中，(b)微带线中
论文提出了一种新型插入介质波导的馈电结构，这种结构直接利用微带线进行馈电，插入介质波导与微带线可以集成在同一介质板上，与传统的矩形波导馈电方式相比，该结构减小了体积。
2馈电结构的设计
如图1所示，由于插入介质波导和微带线的场分布情况具有相似性，所以考虑用微带线对插入介质波导进行馈电。
微带－插入介质波导结构如图2所示，该结构由微带线直接对插入介质波导馈电。由50 微带线通过阻抗变换，将准TEM模式转换成插入介质波导的LSE模式。
图2 微带－插入介质波导的馈电结构
设计该馈电结构思路简单直接，我们运用了Ansoft HFSS软件对馈电结构进行优化设计。微带线的中心位置选择为插入介质波导内电场最强处，然后只需优化微带阻抗变换段的宽度 与长度 。
3 实验结果
为了验证文中馈电结构的可靠性，我们设计并制作了微带－插入介质波导接头的测试样品，如图2，图3所示，整个结构由两个接头和一段长为30mm的插入介质波导构成。
介质板选择为Rogers RT/duroid6002（ ， ，厚度0.762mm）。根据工作频带以及工艺的因素，选择 ；微带馈线选择特性阻抗为50 ，所以 ；由HFSS进行取样，通过人工神经网络优化，馈电接头的尺寸选择如下： ， （参考图2）。
图3 微带－插入介质波导馈电结构的样品照片
图4 仿真结果与测试结果
我们采用Anritsu37269B型号的矢量网络分析仪测试了所加工的样件。测试结果与数值计算结果如图4所示，二者吻合较好，说明该馈电接头是成功有效的。
4 结 论
文中提出一种新型微带－插入介质波导的馈电接头，该结构直接将微带线与插入介质波导集成在同一介质板上，与传统的用矩形波导进行馈电相比，降低了结构复杂度，减小了结构体积。实际测试结果与数值计算结果吻合良好，充分说明了该接头的研制是成果可靠的。
摘 要 提出一种插入介质波导的新型馈电结构。该结构针对插入介质波导的场分布，直接采用微带线进行馈电。该方法简单易行，较传统的矩形波导馈电更加方便。文中采用基于有限元方法的商业软件HFSS对馈电结构进行优化设计，实测结果与仿真结果吻合良好，说明该馈电方式是行之有效的。
关键词 插入介质波导，微带线，馈电结构，人工神经网络
Abstract A novel feeding structure for inset dielectric guide is presented. According to the field distribution, microstrip line was connected to the inset dielectric guide directly. In this paper, HFSS was used to perform optimum design of the feeding structure. To validate the analysis results, a transition was designed and measured. Good agreements between the experimental and simulative results were obtained.
Key words inset dielectric guide, microstrip line, feeding structure, artificial neural network
1 引 言
随着电子技术的发展和应用需求的提高，微波工程正向着毫米波/亚毫米波波段高速延伸，毫米波技术研究和应用的首要问题就是电磁能量的传输。由于工作频率的提高，金属波导的导体损耗急剧增加，而鳍线和微带线等传输线则对加工工艺要求过高，不利于大规模应用。介质波导具有低损耗、较大的横向尺寸、易于加工和弱加工公差等优点，适合于毫米波的传输。因此，介质波导在毫米波/亚毫米波波段有着广阔的应用前景，对此进行深入研究具有重要的现实意义。
镜像线是公认的低损耗传输线，但是其最大的缺点在于对加工工艺要求较高，并且在构成器件时会产生较大的辐射。为了更好地限制电磁波在介质中传播，T. Itoh等提出了陷波镜像波导，但是对于小尺寸，这种导波结构更加难于加工。为了克服以上缺点，S. C. Gratze提出了插入介质波导。插入介质波导具有陷波镜像波导的优点，并且对加工工艺要求较低。
T. ROZZI曾采用矩形波导对插入介质波导进行馈电，这种方法思路直接，但是这种方式占用体积较大。
(a) (b)
图1 主模电场分布
(a)插入介质波导中，(b)微带线中
论文提出了一种新型插入介质波导的馈电结构，这种结构直接利用微带线进行馈电，插入介质波导与微带线可以集成在同一介质板上，与传统的矩形波导馈电方式相比，该结构减小了体积。
2馈电结构的设计
如图1所示，由于插入介质波导和微带线的场分布情况具有相似性，所以考虑用微带线对插入介质波导进行馈电。
微带－插入介质波导结构如图2所示，该结构由微带线直接对插入介质波导馈电。由50 微带线通过阻抗变换，将准TEM模式转换成插入介质波导的LSE模式。
图2 微带－插入介质波导的馈电结构
设计该馈电结构思路简单直接，我们运用了Ansoft HFSS软件对馈电结构进行优化设计。微带线的中心位置选择为插入介质波导内电场最强处，然后只需优化微带阻抗变换段的宽度 与长度 。
3 实验结果
为了验证文中馈电结构的可靠性，我们设计并制作了微带－插入介质波导接头的测试样品，如图2，图3所示，整个结构由两个接头和一段长为30mm的插入介质波导构成。
介质板选择为Rogers RT/duroid6002（ ， ，厚度0.762mm）。根据工作频带以及工艺的因素，选择 ；微带馈线选择特性阻抗为50 ，所以 ；由HFSS进行取样，通过人工神经网络优化，馈电接头的尺寸选择如下： ， （参考图2）。
图3 微带－插入介质波导馈电结构的样品照片
图4 仿真结果与测试结果
我们采用Anritsu37269B型号的矢量网络分析仪测试了所加工的样件。测试结果与数值计算结果如图4所示，二者吻合较好，说明该馈电接头是成功有效的。
4 结 论
文中提出一种新型微带－插入介质波导的馈电接头，该结构直接将微带线与插入介质波导集成在同一介质板上，与传统的用矩形波导进行馈电相比，降低了结构复杂度，减小了结构体积。实际测试结果与数值计算结果吻合良好，充分说明了该接头的研制是成果可靠的。
参考文献
[1] T. ROSSI and STEPHEN J. HEDGES. Rigorous Analysis and Network Modeling of the Inset Dielectric Guide[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1987, 9(35): 823-834.
[2] Dominic Deslandes and Ke Wu. Integrated Microstrip and Rectangular Waveguide in Planar Form[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2001, 2(11): 68-70.
[3] N. Jain. Transverse Electric or Quasi-Transverse Electric Mode to Waveguide Mode Transformer[J]. US Patent, no6087907, 2000, 7(11).
[4] G. E. Ponchak and R. N. Simons. New rectangular waveguide to coplanar waveguide transition[J]. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 1990, 5(1): 491-492.
[5] 王秉中. 计算电磁学[M]. 科学出版社, 2002.
[6] 廖承恩. 微波技术基础[M]. 西安电子科技大学出版社, 1994.
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