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三维结构衰减器设计与仿真

严丹丹1，徐千1，邢蕾1，任春2

1电子信息工程学院，南京航空航天大学，南京市江宁区将军大道29号，211106

2达索析统（上海）信息技术有限公司北京分公司，北京朝阳区建国路79号华贸中心2号

写字楼707-709室，100025

摘要:衰减器由于其吸收和耗散特性，被广泛用于降低功率和进行阻抗匹配。本文提出基于

Π型衰减网络结构，使用软件CSTStudioSuite仿真了一种衰减量为3dB，工作频率为DC-

3GHz的三维结构衰减器，频带内其反射系数低于-10dB，并采用稳态电流求解器计算电阻

衰减网络的电流分布和电磁损耗，最后利用稳态热求解器对衰减器进行热仿真分析。

关键词:Π型衰减器；三维结构；电流分布；热仿真；

1.简介

随着无线通信的发展，人们对衰减器等电磁微波器件的要求日益提高。在衰减器的实

际工作中，必然会有一部分能量转化为热能，衰减器将会有一定温度的升高，进而会引起

其电磁性能发生不同程度的变化，因此对热传导结构的研究设计显得尤为重要，直接关系

整个衰减器系统的正常工作。电阻型衰减器因其精确的衰减水平和良好的阻抗匹配，广泛应用于各微波系统中(Raicu,D.,1994)(Shishkov,G.,2009)(Han,K.F.,2008)(Iannacci,J.,

2009)；NguyenDuyCuong等(Cuong,N.D.,2007)在AlN基板上以TiN作为电阻薄膜材料制

备了衰减量为20dB、工作频率为DC-6GHz的薄膜衰减器；AmirEffendy,AshraffAli等

(Effendy,A.,2011)通过在基片背面添加共面波导的方式制备出工作频率高达67GHz的5

dB衰减器。以上提出的电阻衰减器都是按照平面传输线的思路进行设计，本文介绍的是

基于渐变传输线设计的三维结构衰减器，利用CSTStudioSuite中的时域求解器对衰减

器在0-3GHz内进行全波仿真，然后通过稳态电流求解器计算电阻衰减网络的电流分布

同时进行电磁损耗计算，再将电磁损耗作为热仿真的源，并用稳态热求解器对三维结构衰减器进行热仿真建模分析。

2.理论与设计

三维结构衰减器由信号传输线和电阻衰减网络组成。文中采用渐变传输线作为信号传

输线。电阻衰减网络不仅可以降低信号功率，同时还可以与传输线实现阻抗匹配。基本电路结构有T型、Π型和混合型。本文采用结构较易实现的Π型对称电阻衰减网络，该电阻

衰减网络结构如图1所示。

2019SIMULIA中国区用户大会1

R1

inout

R2R3

图1.Π型衰减网络结构示意图.

如图1中，

R、

2

R为阻值相同的接地电阻，

3

R、

1

R阻值分别由公式(1)和(2)计算获

2

得(Otto,S.,2009)：

R

1

A

Z10?1

10

???1?

0

2

A

10

20

R

2

?

??

A

10?1Z

?10?

0

??

AA

10?1?2?10

1020

?2?

式中：A为衰减量（单位为dB），Z为特征阻抗。对于衰减量A为3dB，特征阻抗

0

Z为50Ω，利用式(1)和(2)可以计算出

0

R为17.6Ω，

1

R为292.4Ω。

2

3.仿真与分析

本节将利用电磁仿真软件CSTStudioSuite中三种求解器对衰减器进行仿真分析，有

如下三个部分内容：第一，利用时域求解器对衰减器进行全波仿真；第二，通过稳态电流

求解器计算电阻衰减网络的电流分布同时进行电磁损耗计算；第三运用瞬态热求解器对三

维结构衰减器进行热仿真建模分析。

根据上述分析与计算，在三维电磁仿真软件CSTStudioSuite中建立三维结构衰减器模

型，优化衰减器结构尺寸，如图2所示。三维结构衰减器由渐变传输线和电阻衰减网络组

成，其整体尺寸为4.7cm×6cm×1cm，设置电导率为3.5S/m的电阻性材料作为衰减材料，

考虑将电阻性衰减材料置于传输线内必然会影响其阻抗特性，使反射增大。因此，将构成衰减网络的电阻性衰减材料的两端设计成渐变结构，其尺寸需要结合所选择的衰

减材料的特性和通过对渐变线的优化计算来得到。

22019SIMULIA中国区用户大会

图2.三维结构衰减器仿真模型.

3.1衰减器的电磁仿真

运用时域求解器对衰减器模型在DC-3GHz内进行电磁仿真分析，优化后的3dB

衰减器仿真结果如图3所示。可以看出，所仿真的衰减器具有良好的微波衰减性能，在

DC-3GHz