带状线和开槽传输线.doc

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1、第五部分TEM波屏蔽带状线S参数研究一．设计要求一段长度为L的TEM波屏蔽带状线如图一所示，在中心导体中开有两个矩形孔。要求图示S11、S21在DC－10GHz频段上的变化情况。图一仿真结构示意图二．原理及方法同前面的差分法不同，这里需要用时域有限差分(FDTD)来解决相关问题。利用FDTD电磁场六个分量的差分公式，求出空间的电磁场。并在两个端口附近各设置一个监测面，用以记录入射波和反射波电场信息，再通过傅立叶变换，得到频域信息，就可以求出S11和S21。三．具体实现首先，对仿真空间划分网格。根据

2、最大频率10GHz，得到最小波长＝3mm为了计算方便同时又满足的要求，选取。根据稳定性条件，选取，这里c是真空中光速。第二步，选取激励源。在这里时间上采用高斯脉冲激励，根据最大频率10GHz，得到T＝1/(2fmax)，取t0=3T,就能取到高斯脉冲的92％的信息。激励源由两部分构成，除了时间信息之外还应有幅度信息，这里需要的是关于TEM波的信息，因此激励源的幅值应该满足TEM波特性。可以用第二部分介绍的有限差分法先计算出TEM模分量在入射端截面各网格上的幅值，再乘以时间信息就得到完整的激励源。另

3、外，激励源是加在截面上的，因此需要在x、y两个方向同时加激励。第三步，确定边界条件。对于TEM波，可采取一阶mur吸收边界条件，在输入端，可以在高斯波完全进入后，并且在反射波到来之前，将激励源去掉改设为吸收边界条件。对于金属边界，强制设其上的电场分量为零即可。第四步计算出总的时间循环次数。根据，可以看出时间步进一步，在空间上只前进了0.5，所以若时间循环等于两倍的空间网格数再加脉宽()才是波从一端传输到另一端需要的时间步进次数。又因为仿真的结构存在不连续性，会引起波的反射，而波在两个孔里会发生谐振

4、，所以要完整记录波的特性，时间循环次数应取至少是上述循环次数的3倍。在程序中发现L=600mm时，取5000就可以完整的反映波的信息。第五步，设置监测面并记录信息。检测面的设置应该满足较靠近端口，且对称。这里L=600mm，两个检测面分别取在L=41mm和L=561mm处。前面提到结构存在不连续性，会激励起高次模。这里需要记录的是入射及反射TEM模随时间变化的数据，因此可以通过以下公式将TEM模提取出：提取出电压在时域的信息后，做傅立叶变换得到，则S11，和S21可根据以下公式求得：。还有一点值得

5、注意的就是如何分离出监测面一的入射波和反射波。根据该高斯波的脉宽可知到大约时间循环200步后，高斯波完全进入端口。因此可以认为前300步的时间内监测面一上通过的是入射波，而此后的都是反射波。分开记录就可以将二者很好的区分。四．结果及分析根据第二部分所述方法，求出截面上TEM模的电场分布。如图二所示：图二横截面TEM波电场分布可以看出，所绘出的电力线与图四有相似之处，电力线在内导体两侧发生弯曲。这时记下电场的值，作为所加高斯激励在相应点的幅值。为了验证程序的正确性，先将结构简化，即首先仿真一个中心导

6、体没有开孔的结构。由于取消了不连续性，也就没有反射波。对于TEM波激励，整个空间不会有其他高次模。因此，E和H的六个分量中和都等于零。该简化结构的S参数如图三所示：从图中可以看出：S11小于-90DB，可以认为没有反射。而S21为0DB，证明波全部传出2端口。因此，得出的结论是：所加的高斯激励无反射无损耗的通过仿真结构。证明了程序的初步正确。图三中心导带未开孔时的S参数接下来对中心导带加入开孔的边界条件。经计算绘出S11和S21参数曲线。图四，图五是FDTD仿真与CST仿真结果的比较。图四S11与

7、CST仿真结果比较图五S21与CST仿真结果比较从图中可以看出，用FDTD仿真结果与CST仿真结果吻合得比较好。能够正确反映该结构在DC—10GHz频段的S参数。比较图四中的两条S11曲线可以发现：用FDTD仿真的曲线比CST仿真结果有一个整体的下移。这种情况可能是由两种仿真方法对参考面（监测面）位置的设置不同造成的。CST的参考面是取在两个端口，而FDTD仿真中的监测面是取在离端口有一段距离的地方。两者虽然在幅度上存在一定的差别，但是S参数曲线的走势是完全一样的。同样，对于图五中的S21参数。F

8、DTD仿真比CST的结果有一点上移。但是走势也是完全一样的。这可能也是由于参考面位置不同造成的。下面，根据仿真结果对该结构做一点分析。从S参数曲线可以看出：在5－6.5GHz范围内S21几乎为零，而相应的S11普遍小于－15DB。因此，可以得出结论：在这个频段内，波可以无反射的传输。可以起到一定的滤波作用。五．结论通过上面的研究我们可以发现：在处理类似问题时，FDTD是一个有效的方法。同时还可以修改结构的某些参数来寻找满足一定要求的结构。比起某些商用软件还是有一定优越性。FDTD仿