矩形波紋波導(dǎo)駐波比隨幾何參量的變化特征

1、【doc】矩形波紋波導(dǎo)駐波比隨幾何參量的變化特征矩形波紋波導(dǎo)駐波比隨幾何參量的變化特征光紓與電纜及其應(yīng)贗技術(shù)OpticalFiber&ElectricCable1996年弟4期No41996矩形波紋波導(dǎo)駐波比隨幾何參量的變化特征.趙會(huì)芳?xì)J耀坤張瑞英摘要本文用等效薄膜法研究和計(jì)算了矩形波紋波導(dǎo)的幾何參量對(duì)駐波比的影響與實(shí)驗(yàn)對(duì)比的結(jié)果表明.等效薄膜法是可行的,特別是用該方法給出的駐波比隨幾何參量的變化特征iL啊來(lái)指導(dǎo)矩形波紋波導(dǎo)的設(shè)計(jì).為工程上設(shè)計(jì)和制作該波導(dǎo)提供了理論上的依據(jù).l,關(guān)鍵詞苧墾主7./InfluenceofGeometricParameterontheVSWRinRectangul

2、arCorrugatedWaveguidesZhaoHuifangQinYaokunZhangRuiyingAbstractTheinfluenceofgeometricparametersontheVSWRinrectangularcorrugatedwaveguideisinvestigatednumericallyusingtheequivalentthinfilmmethod.Comparedwiththeexperimentaldata.ollrresultiseffectiveandusefulindesiguingrectangularcorrugatedwaveguides.T

3、hemethodalsoprovidesatheoreticalguidanceinengineeringdesignandmanufacturing.Keywords(1.rrugatedwaveguideVSWRReflectionl引言渡紋波導(dǎo)的理論設(shè)計(jì)與實(shí)際制作一直是很重要的一個(gè)研究課題.到目前為止,已有許多作者對(duì)其進(jìn)行過(guò)理論研究-31.但所用方法不僅在理論處理上相當(dāng)繁雜.而且其結(jié)果只能給出電磁渡在波導(dǎo)中的傳播常數(shù),很少能給出適用于工程設(shè)計(jì)中的有用參數(shù),尤其是要從理論上給出波紋波導(dǎo)一組最佳幾何參量或者分析幾何參量的改變對(duì)該波導(dǎo)駐波比的影響,以上所用方法幾乎無(wú)能為力.顯然,為了解決這個(gè)實(shí)

4、際問(wèn)題.便于能用理論指導(dǎo)該波導(dǎo)的設(shè)計(jì),必須尋求一種較為直觀,便于應(yīng)用及計(jì)算量小的方法.為此我們提出了等效薄膜法_1J,理論計(jì)算與實(shí)際制作的對(duì)比表明,該方法在定量上是有效的,而且該方法具有普適性,可用來(lái)處理其它具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微波元件.近期亦有用類(lèi)似方法處理功率*女.1965年出生,高級(jí)工程師.上海交通大學(xué)應(yīng)用物理系(200030)收稿日期：1995.11.27分配器(Powerdivider)的報(bào)道J.本文針對(duì)BRB22型矩形波紋波導(dǎo),研究了其幾何尺寸(內(nèi)徑尺寸n1,b;外徑尺寸n2,b2;波紋谷寬度,;波紋峰寬度d;波導(dǎo)管長(zhǎng)度)和傳播的電磁渡頻率對(duì)駐波比的影響,給出一組特征曲線,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果

5、給出對(duì)應(yīng)某一頻帶所需的最佳波紋波導(dǎo)尺寸,從而為工程設(shè)計(jì)和制作波紋波導(dǎo)提供理論依據(jù).所研究的矩形波紋波導(dǎo)如圖1所示.圖l矩形波紋波導(dǎo)示意圖2處理方法對(duì)于如圖1所示的矩形波紋波導(dǎo)，可作小波紋近似1,即波紋周期D遠(yuǎn)小于波導(dǎo)波長(zhǎng)g(DAg),波紋深度d(;lal.2/2)趙告芳等:矩形波紋波導(dǎo)駐波比隨兒何參量的變化特征23遠(yuǎn)小于波紋波導(dǎo)的橫向尺寸(.,61,.b).顯然,滿足這種條件的波紋波導(dǎo)系統(tǒng)可用等效薄膜法處理.對(duì)于該波紋波導(dǎo)，其設(shè)計(jì)思想是計(jì)算出波紋波導(dǎo)的反射率R,取參量R=0便可得到具有最佳駐波比的波導(dǎo)參數(shù).反射率R的計(jì)算可用等效薄膜法求出.J,即將各波紋區(qū)域等效成介質(zhì)薄膜層,把不同渡紋區(qū)域的特

6、性阻抗等效成各介質(zhì)薄膜的折射率,從而可用全增透原理處理渡紋波導(dǎo).具體計(jì)算中,先考慮電磁波在單層介質(zhì)薄膜的多次反射,將多次反射迭加后可得出電磁波經(jīng)過(guò)單層介質(zhì)薄膜后的總反射系數(shù).在如圖2所示的單層薄膜中,令上表面和下表面反射系數(shù)分別為r和r+.,則該單層介質(zhì)薄膜的總反射系數(shù)可表示為!i1+rr+1ej2A1一其中以:竿d.然后再將相鄰的兩個(gè)界面等效成一個(gè)界面,可得到其等效界面的反射系數(shù).圉2中兩個(gè)界面可等效成反射系數(shù)為r的界面.圖2單層薄膜示意圖=r(2)其中,=一t一)(6)利用以上辦法,依次類(lèi)推,可得到多層介質(zhì)薄膜的等效反射渡振幅P和位相p(P和p.即為整個(gè)波紋波導(dǎo)的反射渡振幅和位相).渡紋波

7、導(dǎo)的反射率R可表為：R=P(7)選擇參數(shù)使得R:0即可得到駐波比最佳時(shí)的波導(dǎo)幾何參數(shù).由上分析可知，P.與諸參數(shù)r,(1,2,k+1)及d(i=1,2,k)有關(guān)，而r,是各波紋區(qū)間的匣射系數(shù),顯然是與各波紋區(qū)的特性阻抗有關(guān)的量,即與波導(dǎo)的幾何參1一數(shù)(口1,b1,n2,b2)有關(guān).d=(當(dāng)波紋波導(dǎo)內(nèi)為真空時(shí)),其中d,是第i個(gè)波紋區(qū)的空間長(zhǎng)度.因此,P,的值取決于波紋波導(dǎo)的各幾何參數(shù)n1,b-,n2,b2,t(波紋谷長(zhǎng)度)，國(guó)，紋峰長(zhǎng)度),a以及(波導(dǎo)長(zhǎng)度，即與薄膜層數(shù)k相聯(lián)系)有關(guān).由此可見(jiàn)，波紋波導(dǎo)性能的好壞不是由單個(gè)因素決定的,而是波紋波導(dǎo)各個(gè)參數(shù)的綜合效果.因此,要得到最佳的駐波比就必

8、須綜合考慮諸幾何參數(shù)的影響.由上述討論還可看出,P的值亦與r.和rk有關(guān),(8)馴其中式(8)和式(9)中的.是與波紋波導(dǎo)相連接的標(biāo)準(zhǔn)硬渡導(dǎo)的特性阻抗.所以P值除了與波紋波導(dǎo)本身的幾何參數(shù)有關(guān)外,還與和它相連接的硬波導(dǎo)的幾何尺寸有關(guān),這正是等效薄膜法的獨(dú)特之處,即等效薄膜法不僅能解決波紋波導(dǎo)的設(shè)計(jì)問(wèn)題,而且還能解決它與硬波導(dǎo)的連接問(wèn)題.光野與電纜及其應(yīng)用技術(shù)1996年第4期3數(shù)值計(jì)算與結(jié)果討論在具體計(jì)算中,為了提高精度和減少計(jì)算量,本文采用魯阿德遞推法(即向上遞推法),其具體步驟為:1)根據(jù)菲涅耳公式，求多層薄膜各個(gè)界面上的反射系數(shù)12，一1；2)求各層薄膜的位相厚度，以；3)求底層薄膜的復(fù)振

9、幅反射系數(shù)P;將底層薄膜等效為一個(gè)界面,再與上一層薄膜的上界面組成一個(gè)新的薄膜層求出這個(gè)新薄膜層的復(fù)振幅反射系數(shù)一重復(fù)步驟4,從底層薄膜一直類(lèi)推到上層薄膜,最后求得P;整個(gè)薄膜系統(tǒng)即波紋波導(dǎo)的反射率為R=P,渡紋波導(dǎo)的反射波相移為l,其駐波比可表示為:1+PVSWR=(1o)lr1針對(duì)現(xiàn)有的BRB22型渡紋波導(dǎo)，本文討論駐波比與電磁波頻率及各幾何參數(shù)(nl,b,n2,b2,t,d和)的關(guān)系.為方便起見(jiàn),計(jì)算中先取定一組標(biāo)準(zhǔn)值,然后計(jì)算駐波比隨某一參數(shù)的變化關(guān)系(其它參數(shù)均取標(biāo)準(zhǔn)值).計(jì)算結(jié)果如圖3,10所示.圖3是駐波比隨電磁波頻率的變化曲線.駐波比隨頻率呈單調(diào)變化,即當(dāng)頻率增大時(shí),其駐波比亦

10、增大,取駐波比在1,1.05之間可得其渡導(dǎo)的頻帶寬度,而取VSWR?1.0側(cè)是考慮到在實(shí)際制做過(guò)程中的工藝原因而造成的駐渡比比理論計(jì)算值大.這種變化特征是由于當(dāng)頻率增大時(shí),各波紋區(qū)的盈增大,因此對(duì)反射系數(shù)的影響越大,造成駐波比亦越大.由圖4可見(jiàn),駐波比隨n的變化關(guān)系比?/.ajtmm圖4駐波比.的變化曲線較復(fù)雜,它不是單調(diào)變化,而是有兩個(gè)最佳取值范圍（稱(chēng)為通帶）,在此兩個(gè)通帶之間有一禁帶,所以說(shuō)在制做矩形渡紋波導(dǎo)時(shí)對(duì)a的選擇要特別小心.圖5是駐波比隨.的變化曲圖3駐波比與電磁波頻率的關(guān)系曲線圖5駐波比隨.2的變化曲線趙告芳等:矩形波紋波導(dǎo)駐波比隨幾何參量的變化特征25線,由圖可知,為保證有小的

11、駐波比,z的取值有一范圍,而且在該區(qū)域,駐波比有一極小值.由圖6可見(jiàn),駐渡比與b1的關(guān)系類(lèi)似于?圖6駐波比隨b的變化曲線駐波比與.2的關(guān)系,也有一極小值和一駐波圖7駐波比隨b的變化曲線關(guān)系曲線比較小的區(qū)域.圖7是駐波比隨b2的變化曲線.由圖可見(jiàn),駐波比隨b:呈單調(diào)變化,即當(dāng)b,增大時(shí),各波紋區(qū)的特性阻抗變化亦增大,從而造成駐波比增大,所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取滿足其它條件下的最小b:值.由圖8可見(jiàn),駐波比隨t單調(diào)減小,但t的取值又直接影響到波導(dǎo)的柔軟性,所以t的取值要綜合考慮,即駐波比的要求和柔軟性的要求必須同時(shí)兼顧.圖9是駐波比隨d的變化曲線,由圖可見(jiàn),駐波比隨d的變化有一極小值,當(dāng)/t-0.5時(shí)駐波

12、比最小,該結(jié)論與文獻(xiàn)6中提到的結(jié)論相符.圖l0是駐波比隨波紋波長(zhǎng)的變化曲線,該曲線不是單調(diào)的,當(dāng)波導(dǎo)管較短時(shí)駐波比變化較快,而且駐波比性能不是很好,但當(dāng)波導(dǎo)管較長(zhǎng)時(shí),各波紋區(qū)的反射波選加所形成的的反射圖越穩(wěn)定,駐波比亦越穩(wěn)定,當(dāng)波導(dǎo)管達(dá)到一定長(zhǎng)度后，駐波比基本上為常數(shù).對(duì)于BRB-22型波導(dǎo)，這一臨界長(zhǎng)度為f:90ram.圖8駐波比隨的變化曲線圖9駐波比隨d的變化曲線以上結(jié)果僅說(shuō)明了某一參數(shù)獨(dú)立變化（其它參數(shù)均不變）時(shí)對(duì)駐波比影響,實(shí)際上這些結(jié)果均受其它參數(shù)取值的制約.因此,要得到波紋波導(dǎo)的一組最佳參數(shù)還必須對(duì)該趙會(huì)芳等:矩形波紋渡導(dǎo)駐波比隨幾何參量的變化特征27圖14波紋深度為4mm寸的駐波

13、比隨b的變化曲線.實(shí)線，虛線和點(diǎn)劃線分別對(duì)應(yīng)口.:10322mm,109.22ram和11522mmI占界值時(shí),b的最佳取值大于b,但在實(shí)際選取n值時(shí),為了與標(biāo)準(zhǔn)硬波導(dǎo)相匹配,在尺寸上應(yīng)盡量與硬波導(dǎo)相近,而且要抵消由于波紋引起的電容效應(yīng),所以一般取a略大于n0,而b略小于b0,這與本文計(jì)算結(jié)果相符.由圖13,14可知,當(dāng) TOC o 1-5 h z 波紋深度減小時(shí),b的取值區(qū)域變?。ㄖ饕窃搮^(qū)域下限端上移,上限端基本不變）,因此，當(dāng)波紋深度減小時(shí),b取值趨于b0圖15是當(dāng)t和d的取值偏離最佳值時(shí)駐波比隨b變化的曲線.由圖可見(jiàn),此時(shí)b的最佳取值區(qū)域中有一小峰,當(dāng)a增大時(shí),該小峰也隨之增大,所以實(shí)

14、際中應(yīng)避免選取過(guò)大的n值.在不同波紋深度下最佳的n,b,a2,b2值如下表所示.波紋深度與最佳參數(shù)對(duì)照表波紋深度/一口】/一b1/mm2/ra-b2/ramVSWR4結(jié)論由以上計(jì)算及分析可得出下列幾點(diǎn)結(jié)亭1.05_.150525658h,mm固l5波紋深度為6ngn,=1時(shí)的駐波比隨b的關(guān)系曲線.實(shí)線,虛線和點(diǎn)劃線分別對(duì)尖于aL:103.22mm,109.22mm和11522mm論:波紋波導(dǎo)的駐波特性由波紋波導(dǎo)的各幾何參量(目l,n2,b,b2,t,d,決定實(shí)際制作時(shí)要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),得出一組最佳幾何參數(shù)長(zhǎng)邊尺寸n,n:對(duì)矩形波紋波導(dǎo)駐波比的影響最大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)選取.3)波紋谷長(zhǎng)度和波紋峰長(zhǎng)度的最佳取值大約為2:1,此時(shí)可得出最佳波導(dǎo)參數(shù).但如果 TOC o 1-5 h z 取其它波紋谷長(zhǎng)度和峰長(zhǎng)度時(shí),a和bt值的選取要仔細(xì)才能給出較