مطالعات موردی
بهینه‌سازی یک ترکیب‌کننده توان مخروطی ۱۰ پورتی با CST MWS
مرداد
یک ترکیب‌کننده توان ۱۰-پورتی در دانشکده برق و کامپیوتر دانشگاه استلنبوش آفریقای جنوبی، طراحی و ساخته شد. این دستگاه یک نمونه از ترکیب‌کننده توان متقارن محوری است که به دلیل ابعاد کوچک، وزن سبک، تلفات کم و عملکرد خوب در بازه فرکانسی پهن-باند، عموماً در صنایع هوایی و فضایی استفاده می‌شود. در بهینه‌سازی ساختار این ترکیب‌کننده توان از نرم‌افزار CST MICROWAVE STUDIO® (CST MWS) استفاده‌شده است.
ترکیب‌کننده‌های توان متقارن محوری مزایای زیادی – تلفات کمتر، ابعاد کوچک‌تر – نسبت به ترکیب‌کننده‌های زنجیره‌ای دارد، خصوصاً وقتی‌که پورت‌های ترکیبی زیادی وجود داشته باشد. در این کلاس از ترکیب‌کننده‌های توان (که شامل ترکیب‌کننده‌های شعاعی مرسوم می‌شود)، ترکیب‌کننده‌های مخروطی دارای مشخصه امپدانسی ثابت هنگام تغییرات فاصله شعاعی هستند. حل‌کننده گذرا در CST MWS نشان داد که برای بهینه‌سازی عملکرد ترکیب‌کننده توان بسیار مناسب است که درنهایت منجر به طراحی و ساخت یک ترکیب‌کننده با تلفات برگشتی بهتر از ۱۴٫۵dB- در بازه فرکانسی ۶٫۵ تا ۱۴٫۱GHz شد.
مدل‌سازی ساختار هندسی ترکیب‌کننده توان
مدل CST این ترکیب‌کننده در شکل زیر نشان داده‌شده است. این ساختار با قرار دادن بخش‌های vacuum و دی‌الکتریک در پس‌زمینه PEC ایجادشده است. یک خط کواکسیال هوایی امپدانس پله‌ای (stepped impedance) برای تطبیق امپدانس ۵۰ اهم پورت ورودی با امپدانس ۵ اهم خط انتقال مخروطی، استفاده‌شده است. محل قرارگیری پورت‌های ورودی نسبت به دیواره بیرونی ترکیب‌کننده که در شکل با عبارت back-short distance نشان داده می‌شود، با CST MWS بهینه‌سازی شده است. ازآنجاکه محل قرارگیری پورت‌ها در اطراف پورت خروجی مرکزی، کاملاً متقارن است، لذا امکان استفاده از صفحات تقارن CST فراهم‌شده و باعث کاهش ۴ برابری زمان شبیه‌سازی می‌شود.
نتایج شبیه‌سازی و اندازه‌گیری
شکل زیر مقایسه‌ای از نتایج شبیه‌سازی و اندازه‌گیری را نشان می‌دهد. باوجود سختی زیاد در ساخت و شبیه‌سازی دقیق چنین ساختار بزرگی (قطر حدود ۶۵ میلی‌متر) با شکاف‌های کوچک (تنها ۰٫۲۸ میلی‌متر در انتقال کواکسیال به مخروط)، نزدیکی نتایج قابل‌قبول بود، بااین‌حال اختلاف‌های در ضریب انعکاسی در پورت خروجی در فرکانس قطع بالا مشاهده می‌شود.
نمایی از انتشار میدان الکتریکی در فرکانس ۱۰GHz در شکل زیر مشاهده می‌شود.
