一种波导同轴转换器特性的数值模拟

一种波导同轴转换器特性的数值模拟 2006年10月 第43卷第5期 四川大学学报(自然科学版) JournalofSichuanUniversity(NaturalScienceEdition) Oct,2006 V01.43No.5 文章编号:0490—6756(2006)05—1027—04 一 种波导同轴转换器特性的数值模拟 刘长军,闫丽萍,徐兰,赵国华 (四川大学电子信息学院,成都610064) 摘要:对一种波导同轴转换器进行了数值模拟,得到了转换器的频率响应和功率容量,与实验 结果相符,数值模拟表明:转换器探针的精细结构会对计算结果产生很大影响;在大功率微波 注入时,微波击穿将首先发生在转换器探针的底部, 关键词:散射参数;矩量法;微波击穿 中图分类号:O451文献标识码:A 1引言 波导同轴转换器是微波系统中的一个部分,承担从天馈到接收或发射系统的连接任务,通常完成矩形 或圆波导到同轴线的转换功能,当微波系统受到雷电脉冲(LEMP)或核电磁脉冲(NEMP)的作用,可能导 以通过电缆耦合进入系统为主.NEMP含有相 致系统前端被破坏,LEMP的低端频谱较强…, 对丰富的 高频分量_2J,通过天馈耦合进入微波系统,微波在大气中传播规律和击穿现象已有研究,文[3]推导出微 波大气传播”尾蚀”效应和”逃逸”时间的解析表达式,文[4]给出了一定条件下波导发生微波击穿的电场 强度阈值.在常温和一个大气压下,大气微波击穿的场强阈值约为1--3kV-mmI1[4-6].文[4]实验 对比了大气中和波导中的微波击穿场强阈值,发现两者基本相同, 国外正在开展波导微波击穿的相关研究.美国空军实验室研究了小于1,5GW高功率微波在Vlasov 天线系统中的微波击穿,获得了不同气压下微波脉冲击穿的功率阈值,美国学者还有在X波段进行波 导内微波击穿实验研究的报道_8J.瑞典学者则研究了不同调制和载波情况下射频空气击穿的现象9. 我们对一种矩形波导同轴转换器进行了数值模拟,得到其两端口网络散射参数的频率响应 特性,与实 验结果吻合较好.通过模拟计算获得了波导同轴转换器内的电磁场分布,确定首先发生微波击穿的位置 在探针底部与波导壁之间,并计算了转换器能够传输的最大微波功率,为研究微波脉冲破坏电子系统的研 究提供了参考. 2建模与模拟计算方法 我们研究的波导同轴转换器的波导部分为 BJ40标准波导,长边a=58.2mm,窄边b=29.1 rnYn,转换器的长度c=29.4mm.金属探针分为三 段圆柱,直径分别为d1=3.84mm,d2=2.1Omm和 d1.1Omm,其中探针顶部有半径为r=0.5mm 的倒角.随机选择同型号的5个转换器测量尺寸取 平均值,建立转换器的几何模型.图1为根据实测 数据,使用AutoCAD建立的波导同轴转换器的几何 模型. 收稿日期:2005.09.22 基金项目:国家自然科学基金资助(60301004) 图1波导同轴转换器的几何模型 Fig.1Geometrymodelofthewaveguidadapter 1028四川大学学报(自然科学版)第43卷 波导同轴转换器的探针为黄铜,波导壁为铝.取黄铜的电导率为=1.47x10s?m一,铝的电导率 为Al=3.60x10s?m_..同轴线内填充的介质为聚四氟乙烯,相对介电常数为e=2.06,忽略其介质损 耗.在转换器几何模型的基础上,确定各材料的介电常数和电导率,进行非均匀网格剖分建立转换器的电 磁模型.在获得了转换器的几何模型和电磁模型后,分别定义波导和同轴线的横截面作为两个端口,就可 以使用矩量法进行数值模拟转换器的两端口网络散射参数. 波导同轴转换器的探针顶部倒角半径为r=0.5mm.数值模拟计算表明:由于探针顶部电场强度高 且梯度大.如果不考虑探针顶部的倒角,对转换器频率特性会产生较大影响,还会导致不正确的微波击穿 位置,转换器微波传输功率容量也出现较大误差.在建立模型时必须考虑金属探针顶部的倒角,在探针顶 部,探针同轴线连接等精细结构处进行非均匀网格划分,减少模拟计算对计算机资源的需求,提高数值模 拟计算的效率和精度. 使用矩量法的数值计算对转换器进行电磁场数值仿真,利用迭代法求解矩量法产生的满秩矩阵.由 于矩量法是一种频域的算法,需要依次对每一个频点进行模拟计算,才能得到转换器在一个频带内散射参 数的频率响应特性.在网格划分中,使用三角形和四边形的单元网格,控制最大单元边长小于 720. 3实验测量和模拟计算结果 使用标准SMA-J接头连接波导同轴转换器,将两个转换器在BJ40波导开口面上对接,使用Agilent E8362B微波矢量网络分析仪进行2GHz到6GHz的扫频测量.图2比较了S参数的测量结果和模拟计算 结果,两者基本符合.IS.I的两个峰值频率和幅度都基本吻合.IS2I的模拟计算结果与实际测量结果在 高端频率存在较大误差.ISI的模值测量数据在5GHz开始下降,但是S并没有升高到相应的幅度,反 而在接近6GHz附近也开始下降.这可能是由于转换器内壁生成了氧化物,导致转换器在高频端插入损 耗增加. 如果不考虑探针顶部的倒角,数值模拟计算表明,微波场强最高的区域为探针顶部,微波击穿将发生 在该区域.但是在探针顶部增加了一个半径为r=0.5ram的倒角后,发现场强最高的区域从探针顶部转 移到探针低部.在3GHZ的微波激励下,在波导同轴转换器中心纵剖面上对比电场强度的分布:无倒角结 构的电场强度分布如图3(a)所示;加入倒角后,电场强度如图3(b)所示,电场强度最大的区域位于探针底 部.无倒角结构的计算结果显示场强最大位置为探针顶部,但是此时电场强度计算的数值已经不可靠了, 结果显示电场分布已经具有一定的离散性. 23456 Frequency(GHz) 图2S参数的测量和数值模拟结果比较 Fig.2Comoafi~nof~e&suredandsimulatedSp~ameters dS11 dS21 d.SJI dl 第5期刘长军等:一种波导同轴转换器特性的数值模拟1029 (a)探针顶部无倒角(b)探针顶部有倒角 图3转换器内电场强度分布对比 Fig.3Electricfielddistributioninsidetheadapter 4微波击穿功率的确定 在波导或波导同轴转换器中,如果发生电子场致发射,微波击穿的场强阈值将与频率,金属表面,器件 结构等多种因素相关.在通常条件下,微波场强小于电子场致发射的场强阈值,所以可以把大气微波击穿 的场强阈值作为波导结构的微波击穿场强阈值. 在常温和一个标准大气压下,大气击穿的微波平均功率密度Sh为[5] sh:(×10—18+7.377×105)[1.434×10rp+ln(1.241f2/n,,)](1) ‘P 式中,r为微波脉冲的宽度,-厂为微波频率,为种子电子密度.根据坡印亭定理确定大气微波击穿的场 强Eh为 Eth=~/2/~oSth/e0(2) 式中,o为空气的导磁率,eo为空气的介电常数.图4给出了大气中的微波击穿场强阈值随脉冲宽度的 变化.对于波导同轴转换器,实际的击穿阈值会小于大气的微波击穿功率阈值.对于20ns脉宽3GHz的 微波,可以参考微波击穿的电场强度约为1.4kV?mm_.. 7 6 5 皇 ?4 .C:j 2 图43GHz微波大气击穿场强阈值随脉冲宽度的变化 Fig.4Microwavebreakdoenvariedwithpulsewidths8t3GHz 微波击穿将首先发生在转换器中场强最高的区 域.在模拟计算中可以得到波导截面上的电场强度和 击穿位置的电场强度间的线性关系.根据微波大气击 穿的阈值场强,就可以计算穿过波导截面的微波传输 功率为 =?sin,(JilE1.1flrilc()s(3)伽一J,)ll.l上lLu\/ =l厶 式中,咒为波导截面上单元总数,为第i个单元中电 场和磁场的夹角,为电场和磁场的相位差,JEJ和 JHJ分别表示切向电场强度和切向磁场强度的模值. 通过计算得到通过波导同轴转换器的最大微波功率.在不同频率下计算转换器电磁场的分布,就可以得 到相应的微波功率容量.对于3GHz脉冲宽度为20ns的微波,可以得到转换器的微波击穿功率阈值为 1030四川大学学报(自然科学版)第43卷 2kW. 5结果讨论 波导同轴转换器探针顶部的倒角对频率特性和微波击穿阈值都有很大的影响,并且会影响对微波击 穿位置的确定.在场强变化梯度大的区域,必须使用精细网格划分才能得到可靠的仿真计算结果.在波 导同轴转换器的设计中,需要特别注意对探针顶部和探针底部结构的改进.使用了波导同轴转换器的微 波实验系统设计也可以参考本文结果. 采用矩量法对其他类型的波导同轴转换器进行模拟计算,得到的微波击穿功率阈值和击穿 的位置与 相关实验结果基本一致,证明本文中的模型和计算方法都是可行的.对微波大气击穿现象还 需要进一步 进行理论分析和实验研究,探索对特定结构的微波无源器件,在不同条件下计算功率阈值的 方法,以提高 模拟计算的准确度. 参考文献: [1]田明宏,盛松林,魏光辉,等.雷电回击参数对回击电磁场计算的影响研究[J].强激光与粒子 束,2003,15(6):599. 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NumericalSimulationonaWaveguidetoCoaxialLineTransformer L,己,Chang-j,YANLi—ping,XULan,ZHAOG-uo-hua (SchoolofElectronicsandInformationEngineering,SichuanUniversity,Chengdu61064,China) Abstract:Numericalsimulationonawaveguidetocoaxial1inetransformeriSpresented.Theachievedre sults offrequencyresponsesandpowercapacityagreewithexperiments.Thenumericalresultsshowthatthefi ne structureoftheprobeplaysanimportantrole,whichmayaffectnotonlythepowercapacitybutalsothescat — teringparameters.Whenhighpowermicrowaveisinducedtothetransformer,microwavebreakdownwi ll firstoccurattheendoftheprobe. Keywords:scatteringparameters;methodofmoment;microwavebreakdown