波导-带状线耦合传输的分析
2022-09-17
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第21卷2010年3月 第1期 JOI瓜NAI.0F GI广西工学院学报 ANGxI UNIⅥ SITY 0F TECHN0I.OGY Vl01.21 No.1 Mar.201O 文章编号1004.6410(2010)01.0045.05 波导一带状线耦合传输的分析 石德万 ,王文祥2,魏彦玉2,黄民智2 (1.广西工学院图书馆,广西柳州545006;2.电子科技大学物理电子学院,四川成都 6100546) 摘要:文章分析了波导一带状线通过小孔耦合的传输特性,通过保角变换求出带状线中的场分布,利用小孔衍射 理论得到波导一带状线间的耦合度的表达式,并且理论计算值与测量值吻合较好.通过数值分析,结果表明:耦合小 孔半径和厚度对耦合度的影响比较大,传输线的工作频带比较宽. 关键词:波导;带状线;耦合传输线 中图分类号:TN622 文献标志码:A 0引言 在制作巴伦、带状线定向耦合器、滤波器等元件时,需要使用耦合带状线…,而在微波、毫米波技术中, 有相当一些元件用同轴线或波导传输线难以解决,也要求助于带状线[2].因此,研究波导一带状线的耦合特 性,对于一些微波器件的设计有重要的意义.首先从场理论出发,利用Schwarz-Christoffel保角变换,求出带 状线中的场分布,并根据小孔耦合理论,推出矩形波导和带状线间通过位于波导宽壁上圆孔耦合的耦合度表 达式.然后根据耦合度的表达式,利用数值计算的方法给出带状线的耦合曲线,并以此为基础对带状线耦合 传输的特性进行分析. 1带状线归一化场表达式 理想带状线是带状线的接地板无限大而中心导电带厚度为 0,并且在 方向是无限延伸,如图1所示.考虑到带状线的对称 性,假定接地平板间充满相对介电常数为1的空气,则带状线内 部的场分布可以从平板电容器的复电位函数得到.利用Schwarz- Christoffel变换函数[3-5】: W=一 (1) 和 .... 【................................一 gr= + 图1理想带状线 其中:ST/-1为反椭圆函数;七为反椭圆函数的模,并且 k=eosh一 (3) 所以,可以将在Z=.27+ 平面上的理想带状线的场变换为W = +如 平面上的平板电容器的场.设平板 电容器中的复电位为 (W )=AW 收稿日期:2010一O1一O5 基金项目:国家自然科学基金项目(60401005、60532Ol0)资助. 作者简介:石德万,研究方向:物理电子学,E—mail:shidew ̄163.oom. 46 广西工学院学报 第2l卷 其中A为常数.则带状线中的电场可表示为【6J E一 一J l[ 模,带状线中的电磁波为删和磁场c6]为 ]J ] (【4)J T,+ :T,得到带状线中归一化电场 其中:星号“六”为共轭复数;下标“S”为带状线;K = 一 (1,忌 ),忌 =(1一忌)1/2,为第一类完全椭圆积分的 模,因此,可以令 E 淼( 一ayT ̄) H±:Yo ( + 工) (5) (6) 其中:Yo=4Too/ ̄o;上标“+”号表示正向波;“一”号表示反向波; 、ay分别为z、y方向的单位矢量. 2波导一带状线间的耦合度 考虑到矩形波导通过公共宽边上的4,TL ro(r0《 )和带状 进行耦合,如图2所示.如果矩形波导中传输丁E1o模,根据4,TL 耦合理论,就可以得到在理想带状线下,并且带状线轴线与波导 轴线平行且在同一垂直平面上时,波导与带状线之间的耦合 度 为: c一2咄 F(忌) J-ooJ一 枷 十号乏 图2波导一带状线耦合示意图 式中:a、b分别为矩形波导的宽边和窄边; 、 分别为真空中波 长及矩形波导中TElo模的导波波长;ro为耦合小孔的半径;而 ds- c:一201 2 ̄o /-- 2-式(7)忽略了耦合小孔的厚度(也就是矩形波导宽边的厚度),如果考虑耦合小孔的厚度,并且带状线的 轴线和波导轴线之间有一个方向夹角0,则它们之间的耦合度为 7 1 r30(A c。s + A。毛) 时,波导与带状线之间的耦合度为 (8) 舯:A A 分别为考虑耦合小孔厚度时,电偶极矩和磁偶极矩的修正量,并且有A : 10一 卜(2.61r0/ ̄)‘ /ro,A =10-。。8 ̄/卜( -4lr0以)‘£/r0(£为耦合小孔的厚度)[7J. /-1m^g 而在理想方向性下,即当0optarcoos 1 c一20lg 3耦合传输的数值结果及分析 92√ 一( ) (9) 利用(7)式~(9)式,可以定量地研究传输线耦合度与传输线结构尺寸之间的关系.由于(7)式~(9)式中 都含有复数的无穷积分F(k),因此,利用MATLAB进行数值计算的方法对波导与带状线的耦合传输特性 进行研究.假定矩形波导为BJ一22波导(其结构尺寸为:口=109.2 mm,b=54.6 ITIITI, :2 mm),输入频率为 /=2 450瑚z,则波导与带状线耦合传输的耦合度随结构尺寸的变化曲线如图3~图7所示(为了方便讨 论,图中的耦合度用相关值的绝对值表示). 3.1耦合度与波导宽边厚度的关系 图3表示了耦合度C随波导宽边厚度t,也就是耦合小孔厚度的变化规律.从图中可以看出耦合度C随 着波导宽边厚度t的增加而不断减小(绝对值增加),也就是说,随着t的增加,耦合输出功率不断减小.这是 第l期 石德万等:波导一带状线耦合传输的分析 47 由于耦合小孑L相当于具有衰减的圆波导,t越大,则耦合波 经过耦合小孔后的衰减量就越大,耦合度也就越低.图中曲 线的表明,耦合度C对波导宽边厚度的变化比较敏感,因 此,改变t是获得合适的耦合度比较容易的方法;另外,在理 想方向角(也就是耦合器的方向性为无限大时,耦合器主、副 线之间的夹角)条件下,耦合度随t的变化比非理想方向角 时相对要敏感,对于相同的t值,其耦合度也较大. 3.2耦合度与耦合小孔半径的关系 图4中曲线表示传输线的耦合度随耦合小孔半径的变 化规律.曲线表明:耦合度随耦合小孔半径的变化而变化,半 图3耦合度c随波导宽边厚度的变化 径越大,耦合度越大(绝对值越小).这是因为半径越大,说明 有更多的耦合波通过耦合小孔,耦合功率也就越大,耦合度 也就越大.图中还表明,对于同一耦合半径,当不考虑波导宽 边 度时,其耦合度最大(其绝对值最小),非理想方向性时 的耦合度次之,理想方向性的耦合度最小且最大与最小之间 相差约15 dB.从这里可以看出,在设计由波导与带状线耦 合构成的微波器件时,必须考虑波导的厚度,也就是耦合小 孔的厚度.另外,曲线3表明,当耦合小孔半径r。从2.5 IT11TI 变化到6.5 mm时,耦合度改变了约35 dB,这充分证明,耦 合度对耦合小孔半径的变化很敏感. 3.3耦合度与输入频率的关系 图4耦合度C随耦合小孔半径的变化 图5中曲线1和曲线2表明:如果不考虑耦合小孔的厚 度,或者虽然考虑小孔的厚度但在非理想方向角下,随着频 鞠增大,耦合度的变化很平缓(其绝对值减少);如果在理 想方向角下,并且考虑耦合小孔厚度的影响(曲线3),则在 低频端,随着频率的增大,耦合度先在一个小范围上升,然后 才随频率的增大而下降,但下降的速度比较慢.图5还表明, 当考虑了耦合小孔的厚度以后(也就是接近现实情况下),耦 合度随频率的变化很小,在1.6 G】 的频带范围内,耦合度 仅发生几个dg的变化. 3.4耦合度与带状线半高度及中心导电带宽度的关系 耦合度随带状线高度的变化比较小,特别是考虑了耦合 图5耦合度C随输入频率的变化 小孔深度以后,带状线半高度改变了4 nrLrn,耦合度仅发生5 dB左右的变化,图6很好地说明了这种情况.而 从图7看出,耦合度随带状线的宽度变化很小.以至于对精度要求不是很高的工程中,可以不考虑带状线尺 寸的变化对耦合度的影响. 利用波导与带状线的耦合传输性能,设计制作了相应的定向耦合器【6.6]定向耦合器的结构尺寸参数为: 输入频率厂=2 450 MHz,耦合小孔半径ro=3.1 ITLITn,波导宽边n=109.2 mm,波导窄边b=54.6 mm,耦合 小孔深度(波导宽边厚度)t=2 ITEm,带状线半高度h=4.5 mm,带状线宽度d=7 mm,并在理想方向性条件 下,对所设计、制作的13个结构尺寸参数完全相同的定向耦合器的耦合度进行了测量,测量结果如下表1. 表1耦合器耦合度的测量结果 cIB Nlo. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1o 11 12 13 C 71.1 7n.5 70.2 71.R 69.7 70.】 69.7 70.3 70.3 70.8 71.1 70.0 7】.1 48 广西工学院学报 第21卷 图6耦合度C随带状线半高度的变化 图7耦合度C随带状线中心导电带宽度的变化 根据表1的测量结果,可以计算出这种耦合器的耦合度的平均值为70.5 dB.利用(9)式,在相同的参数 条件下,可以计算出波导一带状线的耦合度为C=69.46 dB,计算值与测量平均值相比,两者相差约1.04 dB,吻合得很好.因此,可以认为,图3~图7的曲线,能够很好地反映波导一带状线的耦合传输性能.计算值 和测量值出现误差的主要原因是在推导(5)、(6)式时,把带状线看成是接地板无限大而中心导电带厚度为 0,并且在 方向是无限延(也就是带状线和同轴线完全匹配)的理想情况. 4结论 通过以上分析研究,得到如下结论:在波导和带状线通过波导宽边上的单个小孔进行耦合传输时,耦合 小孔的深度及耦合小孔的半径对耦合度的影响很大;耦合度随带状线的高度和宽度的变化不是很明显,相对 来说,高度的变化要比宽度的变化对耦合度的影响大;带状传输线具有较宽的工作频带. 由于仅研究了波导一带状线耦合传输时单个结构因素变化对耦合度的影响,如果考虑多个因素同时变 化对耦合度的影响,则可以采用微波的仿真软件,如} SS 10.0、CST 2006等进一步研究. 参考文献: [1]王文祥,徐梅生,余国芬.低混杂波电流驱动微波传输系统的研制[J].电子科技大学学报,1992,21(2):208—212. 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The analysis of the waveguide-stripline coupled transmission SHI De.wall ,WANG Wen-xiang2,WEI Yan-yu2,HUANG Min-zhi2 (1.Library,Guangxi University of Technology,Liuzhou 545006,China; 2.National Key Laboratory of High Power Vacuum Electronics,School of Physical Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China) Abstract:An analysis of transfer characteristic of coupling between a stripline nad a rectnagulra waveguide is pre— sented.The field distribution in the stripline is obtained by the conformal transformation function.The expres— 第1期 石德万等:波导一带状线耦合传输的分析 49 sion for the coupling coefficient by the diffraction theory of small coupled holes is derived.The theoretical results show good agreement with the experimental results.The conclusion is obtained by the numefi ̄analysis:The radius and depth of coupld holee have lf big role to the ouplcing coefficient.And the transmission line has fl big— ger bandwidth. Key words:waveguide;stripline;coupled transmission line (责任编辑李彦青) (上接第31页) [6]BurnsA,HayesG,LiW,et a1.Neodymiumion dopant effectsonthephasetransformationin sol・gel derivedtitaniananostruc— tures[J].Mater Sci.Eng B,2004,1l1(2/3):150.155. [7]程银兵,马建华,吴广明,等.热处理对溶胶一凝胶Ti 薄膜的晶相转变和性能影响[J].功能材料,2003,23(1):73.75. [8]侯象洋,孙力军,张景绘.掺杂镧铈对纳米二氧化钛薄膜光催化性能的影响[J].中国工程科学,2005,7(增刊):440—442. Ef ̄ct of RE doping on photocatalytic properties of TiO2 thin film TAN Ming,YIN Li—song (1.Lushan College,Guangxi University of Technology,Liuzhou 545616,China; 2.School of Physics Science nd aTechnology,Central South University,Changsha 410083,China) Abstract:The rare-earth—doped titniaum thin films on glass surface were prepared by ols—gel method.The struc— ture nd moraphology of titniaum thin films were characterized by X-ray powder diffraction(XRD)and atomic force microscopy(ATOM).The photcatoalytic activitis ewere evaluatd eby degradation of methylene blue under Uv light radiation.The influence of varinta dopig amountn of lanthanum(La),cerium(Ce),calcination tern・ perature on the photocatlytaic propertis eof La and Ce dopig ntitanim tuhin film were studid.The eresults show that La dopig nwill restrain the transform of anatase structure to rutile stuctrure,and La and Ce dopig exinbit the most optimum concentration and the most suitable calcination temperature. Key words:titanim udioxide film;dopig;photnochemical catalysis;degradation rate;methylene blue (责任编辑李彦青)