微波平面传输线不连续性问题场分析与仿真研究

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在微波集成电路和高速数字电路中,平面传输线不连续性是一个普遍存在的问题,也是理论分析和工程应用中一个较为复杂的问题。常用的平面传输线有微带线、共面波导、带状线、槽线等多种形式,其中应用最广的是微带线。由于不连续性结构具有不规则性,所以必须借助于数值方法来分析它。在电磁场数值方法中,FDTD方法是一种简单有效的时域方法,具有综合各种非线性材料和器件的能力,在天线设计、微波电路、生物电磁效应、EMC/EMI问题和光电等领域得到了广泛的应用,成为目前电磁学理论研究和工程应用的一个热点。本文以时域有限差分(FDTD)方法为主要分析手段,以微带线为重点,对典型微波平面传输线的不连续性问题进行了分析和研究。针对平面传输线不连续性结构的特点开发了基于FDTD方法的电磁仿真软件,系统地研究了平面传输线不连续性的电磁特性,分析并优化了平面传输线转换结构,初步研究了不连续性引起的辐射和高阶模特性。全文主要内容及创新之处如下:(1)研究了电磁场的FDTD数值计算方法,完成了具有自主知识产权的三维FDTD全波电磁分析软件主要的算法实现和开发工作。该软件包含了电磁建模和FDTD数值计算两大模块,具有较强的电磁建模功能和数值计算效率,通过实际应用和测试,以及与业界著名的商用软件HFSS、 ADS等仿真结果的对比,验证了软件的功能,保证了数值求解过程的正确与高效。(2)采用FDTD方法分析了平面传输线不连续性的频率特性和色散特性,研究了不连续性结构的补偿和优化方法。对典型的微带不连续性结构,如拐弯、宽度跃变、T型节、十字节等进行了补偿研究,优化了微带不连续性的传输特性。通过数值方法得到了不连续性效应在传输方向上呈指数衰减的结论,给出了衰减量随距离变化的定量结果,有利于电路小型化设计中不连续性影响的消除。(3)研究了微带到其他传输线的各种转换结构,分析了微带-同轴、微带-波导、微带-共面波导等转换结构的电磁传输特性,对常用的微带转换结构进行了仿真,并进行了相关参数的优化,为实现微带转换结构的优化设计提供了理论依据。在微带-共面波导直角转换中提出了一种新的结构设计,使性能参数获得了较大的改善。(4)采用FDTD方法和坡印廷矢量法相结合,初步研究了拐角、短截线等微带不连续性的辐射特性。不连续性处的表面波和空间波辐射损耗随着频率的增加而显著增大。以宽度跃变为例,首次提出并采用逆向分析法研究了高阶模激发和衰减的频率特性,得出了主模和高阶模的比例关系,为深入研究不连续性高阶模问题打下了基础。
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