一种基于HFSS仿真C频段波导魔T设计

韩来辉 潘 进

(中国电子科技集团公司第27研究所 郑州 450047)

一种基于HFSS仿真C频段波导魔T设计

韩来辉 潘 进

(中国电子科技集团公司第27研究所 郑州 450047)

本文简单阐述了波导魔T原理及调配方式，通过三维电磁仿真软件HFSS对C频段魔T进行建模并对该模型的传输损耗、回波损耗、端口隔离进行了仿真。采用简单可行结构形式，具有低传输损耗、高回波损耗 、优良相位一致性、结构紧凑等优点。该魔T已经在某工程大功率发射机应用，达到了理想的效果。

HFSS；C频段；魔T

Abstract: Principle of waveguide magic T and its testing and assembling is introduced. C-band magic T is modeled and its transmission loss, echo loss, and port isolation are simulated by using 3-dimenisonal electro-magnetic simulation software HFSS. C-band waveguide magic T is featured advantageous like low transmission loss, high echo loss, perfect phase consistency, compact structure, and so on by using simple and feasible structure. The magic T has been applied in high power transmitter of a project to achieve ideal effect.

Keywords：HFSS；C-band；Magic T

0 前言

随着我国科学技术的快速发展，固态发射机因其体积小、效率高、可靠性高等优势逐渐取代原有真空管发射机，同时对发射机输出功率提出更高的要求，但因固态放大器单只管子输出功率的限制，无法达到满足使用要求，因此功率合成成为固态发射机一项关键技术。因此对于工程应用中设计一种低传输损耗和回波损耗、相位一致性高、端口隔离度高合成器成为功率合成的重中之重。

目前，功率合成技术多采用二进制合成和多路径向合成。二者在功率合成工程应用中有着各自的优点，可根据工程应用的需求灵活应用。多路径向合成器具有传输损耗低，回波损耗和端口隔离差。四端口二进制合成器因其具有隔离端具有低传输损耗和回波损耗、端口隔离、功率容量高的优点。

波导魔T[1]作为微波、毫米波电路中的重要合成/分路器件，因其具有功率容量高、端口匹配好、结构简单等优势，成为微波、毫米波系统合成、分路的重要器件[2，3]。本文根据研制工程需求采用二进制合成方法，简单介绍了魔T的原理，通过三维电磁仿真软件HFSS对C频段波导魔T进行了仿真，并基于仿真结果进行机械加工和装配、测试，取得了良好的效果。

1 研制需求

依据C频段固态连续波发射机研制需求，对波导合成器提出技术指标要求如下：

a)工作频带：C频段

b)传输损耗：≤0.15dB；

DN是2型糖尿病最常见的并发症之一，是一种慢性进行性微血管病，也是导致糖尿病患者死亡主要原因之一[2]，目前临床上常用肌酐、尿素氮和尿蛋白定量作为预测DN进展的指标，但其检测方法灵敏度有限、检测过程繁琐耗时，存有一定局限性，对患者的肾脏损伤很难作出早期判断，因此临床上对于DN的早期诊断，找到即简便又快速的临床评价指标变得尤其重要。

c)端口回波损耗：≤-20dB；

d)端口隔离：≥20dB；

e)功率容量：≥1.5kW(CW)；

f)输入端口相位一致性：≤±5°。

2 波导魔T原理

波导魔T又称为匹配双T，是将E-T和H-T构成双T接头的基础上通过内部加载调配结构实现了优良的匹配可逆无耗四端口元件。理想匹配魔T，当TE10波自波导魔T的E臂输入时，H臂连接匹配负载，主臂端口“1”和“2”臂输出等幅反向两路信号，而H臂信号无输出，且反射信号。当TE10自波导魔T的H臂输入时，E臂连接匹配负载，主臂端口“1”和“2”臂输出等幅同向两路信号，而E臂信号无输出，且反射信号[4]。根据双T接头满足对称性和互易性以及H臂、E臂为隔离端口，因此魔T的参数矩阵可写成：

(1)

魔T为无耗元件，满足散射参量的一元性定理可得：

STS=E

(2)

根据矩阵乘法规则有：

|S11|2+|S12|2+|S13|2+|S14|2=1

|S22|2+|S12|2+|S13|2+|S14|2=1

(3)

将(2)带入(3)得：

|S11|2+|S22|2=0

(4)

适当地选择魔T 各端口参考面的位置，可以使S13 和S14为：

则匹配魔T的散射参数矩阵为：

综上，匹配魔T作为合成器时具有如下特性：

a)信号同时从“1”，“2”等幅同向输入时，E臂作为隔离端无信号输出，H臂信号合成输出，幅度为“1+2”。

b)信号同时从“1”，“2”等幅反向输入时，H臂作为隔离端无信号输出，E臂信号合成输出，幅度为“1+2”；

匹配魔T作为分路器时具有如下特性：

a)信号自E臂输入，两个主臂“1”，“2”等幅反向输出，幅度为输入信号的1/2，H臂为隔离端口，H臂为隔离端无信号输出；

b)信号自H臂输入，两个主臂“1”，“2”等幅同向输出，幅度为输入信号的1/2，E臂为隔离端口，H臂为隔离端无信号输出。

3 波导魔T电磁仿真设计

本文依据C频段连续波大功率发射机研制需求，研究了波导魔T的工作原理，采用了在波导魔T内部加载锥体匹配方法，通过三维电磁仿真软件HFSS优化仿真，实现了波导魔T全端口匹配目的，突破了波导魔T难于加工及精度控制的难题。具有端口匹配好、功率容量大、结构紧凑的优点。

C波段波导魔T，利用三维电磁仿真软件HFSS建模[5]，采用标准BJ48波导，波导宽边a=47.55mm，窄边b=22.15mm ，在E臂底部加载半径为r1的底壁处被削去与矩形波导实现几何形状吻合锥体加半径为r2的圆柱，通过对锥体位置、高度、半径实现对H臂、E臂的调配，圆柱对H臂调配，通过HFSS参数目标优化最终实现了四端口的良好匹配。

图1 C频段波导合成器(魔T)仿真模型

波导魔T传输损耗、相位、端口隔离及各个端口回波损耗仿真结果如图2、3所示，在工作频率范围内，实现了端口匹配以及隔离，其中传输损耗小于0.1dB，端口隔离度大于25dB，回波损耗小于-20dB。依据仿真各项技术指标结果可以作为性能良好的大功率合成器使用。

图2 C频段魔T端口传输损耗和相位仿真结果

图3 C频段波导魔T端口隔离及回波损耗仿真结果

5 波导魔T结构形式和测试结果

根据C频段波导魔T建模及仿真结果，对模型加工分为三个部分进行加工，分为：底部、顶部、锥体三个部分见图1，通过简单机械装配的方法，采用合理控制加工误差的方法，实现波导魔T整体的技术要求和结构要求，整体装配图见图4。

通过M6的螺钉魔T结构件进行了装配，装配的实物见上图4。采用矢量网络分析仪对波导魔T各项技术指标进行了测试，测试结果见下图5、6。

从图6、7实际测试数据可以看出，波导魔T在通带传输损耗小于0.1dB，端口回波损耗小于-20dB，端口隔离大于22dB，输入端口相位一致性小于2°，功率容量在C频段连续波发射机进行了实验验证满足大于1.5kW连续波功率容量的使用要求。

图4 C频段波导魔T结构件实物图

图5 端口2、3传输损耗及相位

图6 端口1、4回波损耗及端口1与4、2、3隔离

4 结束语

本文通过三维电磁仿真软件HFSS 对C频段波导魔T建模并进行了优化仿真，得到了满足加工要求的尺寸，采用了合理可行的结构形式，并进行了加工、装配、测试，在设计的工作频段内，获得了优良的传输、回波损耗、端口隔离度以及相位一致性，成功应用在C频段固态连续波发射机功率合成，取得了理想的效果，对其他频段波导合成器魔T的设计具有一定的参考价值。

[1] 韩来辉，姚爱田，余海.二进制宽带毫米波合成器设计与分析[J].火控雷达技术，2016，45(2)：67-72.

[2] 杜仑铭，徐可荣。 宽带波导魔T 的设计[J]. 船舶电子对抗，2006，29(3)：52-54.

[3] 黄绣江，郭泉等. 超宽带双脊魔T的研制[J].电波科学学报，2007，22(2)：177-180.

[4] 顾继慧.微波技术 [M] 2005.3

[5] 谢拥军，王鹏，李磊等.Ansoft HFSS基础及应用[M].西安电子科技大学出版社，2007.

DesignofaHFSS-based-simulationC-bandWaveguideMagicT

Han Laihui， Pan Jin

(No.27 Research Institute of CETC，Zhengzhou 450047)

TN957

A

1008-8652(2017)02-062-03

2017-03-13

韩来辉(1979-)，男， 高级工程师。研究方向为高功率微波技术。