微波多端口网络的仿真设计与分析

摘要

任何微波系统都包含许多功能不同的微波器件。微波器件在微波系统中起着对微波能量的定向传输、分配等重要作用。如果不匹配，就会造成传输能量的损失，所以，匹配性能良好的微波器件一直是射频器件设计人员追求的目标。 Ansoft公司的高频结构仿真器(HFSS)是一个采用有限元法的三维电磁场仿真软件，可以处理任意形状的微波电路和元件结构，并可考虑电介质材料、磁性材料、薄膜电阻材料和有损导体材料。用户通过交互式界面，可输入高频元件或电路的几何结构、材料类型、端口位置、端口特性阻抗等参数进行仿真设计。本文利用HFSS，针对典型的微波三端口、四端口、五端口、六端口微波器件分别进行了仿真设计，对所设计的多端口微波器件的输入反射系数进行了仿真分析，并就其结构尺寸的变化对匹配性能随频率变化的影响作了讨论，给出了尺寸选择依据。 文中三端口的匹配是在接头区加入了一个非互易的铁氧体圆柱，通过调节圆柱的半径，使其各个端口达到了良好的匹配，并获得了较宽的频带。 四端口的匹配采用了两种匹配方法。金属圆柱与膜片相结合、金属圆锥与圆柱相结合。圆柱与膜片的结合匹配变量较多，先对各个变量分别进行优化分析，最后对各种优化分析的结果综合考虑，得到了优化的结果，最终使所设计的魔T达到了良好的匹配和较好的频率特性。圆锥与圆柱相结合的魔T，通过匹配圆柱的直径和高度调节就达到了很好的匹配效果和宽带特性。不但中心频率的反射系数低，而且频带宽，其性能优良。 五端口结匹配元件的形状为金属圆柱体，通过调节金属圆柱半径，最终达到了各端口的良好匹配。六端口结匹配元件的形状分别采用了金属圆柱体和金属六面体，通过调节其半径，均达到了良好的性能。其次，仿真结果表明金属六面体的性能优于金属圆柱体。另外，本文设计了一种E面六端口结，通过调节匹配金属圆柱体的半径，达到了E面六端口结的良好匹配和较宽的频带。 本文通过对多种微波多端口器件的仿真分析和优化设计，得出了相应的匹配元件参数选择依据，对微波多端口器件的设计工作具有较高的参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2本文研究的重点和难点

1.3本文主要工作及内容安排

第2章 基本原理与概况

2.1微波器件的匹配原理

2.1.1多端口微波器件简述

2.1.2微波器件中的匹配方法

2.2有限元法的原理

2.2.1三维电磁场的有限元方程

2.2.2有限元法计算电磁场的优点

2.3 A soft HFSS仿真软件

第3章 多端口微波器件的仿真设计

3.1三端口微波器件的仿真设计

3.1.1三端口器件理论

3.1.2三端口微波器件的仿真设计

3.2四端口微波器件的仿真设计

3.2.1四端口器件理论

3.2.2四端口微波器件魔T的仿真设计

3.3五端口微波器件的仿真设计

3.3.1五端口理论

3.3.2五端口微波器件的仿真设计

3.4六端口微波器件的仿真设计

3.4.1六端口器件理论

3.4.2六端口微波器件的仿真设计

第4章 仿真设计结果及误差分析

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

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