HFSS 15在基片集成波導(dǎo)單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)仿真中的應(yīng)用

2017-04-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 前言

Hirokawa和Ando于1998年首先提出了基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide,SIW),即在介質(zhì)基片中制作兩排金屬化通孔,與上下表面圍成準(zhǔn)封閉的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo),SIW體積小、重量輕;同時(shí),相對(duì)于微帶線等傳統(tǒng)電路,SIW損耗小、輻射低。吳柯教授以及其他的專家學(xué)者對(duì)SIW進(jìn)行了數(shù)值分析、建模及特性分析,并實(shí)現(xiàn)了各類高性能的器件,例如濾波器、定向耦合器、移相器、天線單元及陣列等。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中,單一器件往往不能滿足系統(tǒng)需求,各組件、部件乃至各子系統(tǒng)一般都要求盡可能使用同一種傳輸線,從而保證內(nèi)部連接更為緊湊,使得損耗更小,性能穩(wěn)定。由于基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)包含大量金屬化圓孔,仿真軟件在仿真的時(shí)候,往往導(dǎo)致計(jì)算機(jī)內(nèi)存不夠而運(yùn)行終止,或者占用內(nèi)存較大而降低仿真效率。本文基于上述考慮,結(jié)合單脈沖網(wǎng)絡(luò)的項(xiàng)目需求,運(yùn)用HFSS軟件,采用優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,設(shè)計(jì)了基片集成波導(dǎo)的單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)。在考慮到各項(xiàng)誤差后,測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合,從而證明優(yōu)化模型在基片集成波導(dǎo)設(shè)計(jì)中的高效性,也證明HFSS在電路設(shè)計(jì)過程中的實(shí)用價(jià)值。

2 基于基片集成波導(dǎo)的單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)

2.1基片集成波導(dǎo)

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圖1 基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

基片集成波導(dǎo)(Substrate integrated waveguide,SIW)是一種新的微波傳輸線形式,其利用金屬過孔或金屬柱,在介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的場(chǎng)傳播模式,如圖1所示。由于其傳播模式和傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)相同,因此在電性能上,其等效為一段填充有介質(zhì)的金屬波導(dǎo),等效寬度可由等效公式進(jìn)行計(jì)算。

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公式1 等效寬度的計(jì)算公式

其中a'為基片集成波導(dǎo)的寬度,W是金屬化孔間距,R是金屬化孔的半徑,而a為填充介質(zhì)的等效金屬波導(dǎo)寬度。為提高仿真效率同時(shí)防止電磁波從金屬化孔間泄露,一般取3R≤W≤4R。

2.2單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)

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圖2 單脈沖網(wǎng)絡(luò)

在機(jī)載和彈載系統(tǒng)中,廣泛采用平板式的單脈沖天線,如圖2所示。這種單脈沖天線在物理上被劃分成四個(gè)象限(1-4),每個(gè)象限射頻信息(E1-E4)通過多層饋電網(wǎng)絡(luò)合成后匯聚到單脈沖比較器(I-III),單脈沖比較器作為整個(gè)單脈沖天線的關(guān)鍵部件,把四個(gè)象限的射頻信號(hào)合成為一個(gè)和波束(EΣ),兩個(gè)正交差波束(EΔα、EΔβ)方向圖。

3 單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)的HFSS仿真

3.1優(yōu)化模型

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圖3 基片集成波導(dǎo)的網(wǎng)格劃分

大型基片集成波導(dǎo)電路往往金屬化孔的數(shù)量較多,這些金屬化孔是弧面。在HFSS中,為了保證仿真的精度,弧面所需的網(wǎng)格數(shù)量往往遠(yuǎn)大于平面。圖3是工作在X波段的基片集成波導(dǎo)傳輸線。基片寬度14mm,金屬化孔的半徑為0.25mm,默認(rèn)的圓柱面的劃分為0,網(wǎng)格數(shù)量為19953,從圖中也可以明顯看出金屬化孔的區(qū)域自適應(yīng)的加密程度遠(yuǎn)大于其它區(qū)域。

優(yōu)化模型的關(guān)鍵在于調(diào)整圓柱面的劃分?jǐn)?shù)量,從而使得網(wǎng)格的數(shù)量下降到計(jì)算機(jī)內(nèi)存可接受的程度,但是同時(shí)又要保證仿真的正確性。圖4是對(duì)圖3所示傳輸線進(jìn)行仿真的結(jié)果,對(duì)于金屬化孔,默認(rèn)的圓弧面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為16。從圖4中可以看出隨著劃分?jǐn)?shù)量從16降低到6,網(wǎng)格劃分對(duì)應(yīng)的數(shù)量從19953降低到5455,而回波損耗的誤差約0.5dB左右,插入損耗誤差小于0.02dB,相位的誤差小于1度。當(dāng)然,不同復(fù)雜程度的模型對(duì)應(yīng)不同程度的誤差量級(jí),因此兼顧到效率和運(yùn)算精度,最終取圓弧面的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為10。

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圖4 圓弧面網(wǎng)格劃分不同數(shù)量下的仿真結(jié)果。a)回波損耗;b)插入損耗;c)相位差異;d)網(wǎng)格數(shù)量

3.2設(shè)計(jì)實(shí)例

工程實(shí)際需求的基片集成波導(dǎo)單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)工作在Ku波段,它主要由四個(gè)3-dB電橋,四個(gè)90度移相器,以及四個(gè)1:8功率分配網(wǎng)絡(luò)組成,如圖5(a)所示。其中輸入口為端口1-4,共四個(gè),1口為EΣ,2口和3口分別為EΔα和EΔβ,而4口稱為Q口,一般接匹配負(fù)載;輸出口為端口5-36,共32個(gè)。圖5(b)為整個(gè)系統(tǒng)在HFSS中的仿真模型,其中1-4口,SSMA水平輸入,5-36口SMP垂直輸出,基片集成波導(dǎo)主體電路通過基片集成波導(dǎo)/微帶過渡到同軸端口。設(shè)計(jì)的印制板采用厚度為1.016mm的Rogers RT-6002,該介質(zhì)板介電常數(shù)為2.94,由于參雜了陶瓷粉,因此質(zhì)地較硬,同時(shí)相位的溫度穩(wěn)定性較好,特別適合高頻使用。由于本設(shè)計(jì)要求工作在Ku波段,因此金屬化孔的半徑為0.2mm。采用IBM服務(wù)器X3650(2xE5620,64G內(nèi)存)最終經(jīng)過8次的迭代,如圖5(c)所示。

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圖5 基片集成波導(dǎo)單脈沖網(wǎng)絡(luò)的原理圖(a),仿真模型(b),仿真收斂狀態(tài)(c)以及實(shí)物圖(d)

加工完成的實(shí)物圖如圖5(d)所示,整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)的尺寸為146.5mm╳140mm,由于印制板和結(jié)構(gòu)件的公差配合,印制板的尺寸比結(jié)構(gòu)件的腔體要稍微小一些,因此印制板和腔體壁之間有一定的間隙,間隙的存在影響了系統(tǒng)的匹配,因次通過增加額外的調(diào)配手段(Tuning Point),使得系統(tǒng)匹配。樣件的測(cè)試基于40GHz網(wǎng)絡(luò)分析儀,最終測(cè)試的結(jié)果,如圖6。

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圖6 基片集成波導(dǎo)單脈沖網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試和仿真對(duì)比結(jié)果:總端口回波損耗(a),總端口間的隔離度(b),分端口幅度均方差(c)以及分端口相位均方差(d)

4 結(jié)論

介紹了基片集成波導(dǎo)以及單脈沖天線的基本工作原理,并根據(jù)工程需求,利用優(yōu)化的金屬化孔模型,在保證仿真精度的前提下,使得仿真的效率進(jìn)一步提高;最終設(shè)計(jì)了Ku波段的電大尺寸饋電網(wǎng)絡(luò),在6%的帶寬內(nèi)總口回波損耗好于10dB,隔離大于25dB,32個(gè)輸出端口的幅度均方誤差小于0.5dB,相位誤差小于6度。

來源:ANSYS 作者:陳海東 侯文杰 車文荃 馮文杰

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