CN104156616B - 一种通孔型介质支撑等效介电常数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通孔型介质支撑等效介电常数计算方法，步骤1：对于通孔型介质撑可假设同轴传输线无限长，内部填充了介质材料，介质材料沿同轴线的轴向没有变化，材料不均匀性集中在横截面上；步骤2：求解填充非均匀介质材料的同轴传输线的电磁场；步骤3：通过公式计算通孔介质撑等效介电常数。采用上述方案，建立了通孔型介质撑等效介电常数的一种有效计算方法，与目前使用的“称重法”相比，该方法具有较高的计算精度，同时还有比较好的计算效率，能够很好地满足通孔型介质撑设计工作需求。

Description

一种通孔型介质支撑等效介电常数计算方法

技术领域

本发明属于通孔型介质支撑等效介电常数计算技术领域，尤其涉及的是一种通孔型介质支撑等效介电常数计算方法。

背景技术

为了提高同轴传输线和同轴连接器的工作频率，同轴传输线的横截面尺寸越来越小。小型化同轴连接器均采用空气介质，并且已标准化和系列化。介质支撑是保持同轴连接器内外导体之间相对位置而必不可少的重要组成部分，介质支撑的引入破坏了同轴传输线的连续性。介质支撑设计非常关键，在满足特性阻抗要求的同时，还要对介质与空气交界处的不连续性进行补偿。介质支撑材料的介电常数越接近空气介电常数，引入的不连续性就越小，但介电常数小的介质材料往往机械强度低、可加工性能差。因此，进一步降低介质材料介电常数受到限制。通常的处理方法是在介质支撑上打孔来降低介质支撑的等效介电常数,打孔处理可以有效降低介质撑的等效介电常数，从而减轻介质撑-空气交界面处的不连续性。但打孔处理也带来了另外一个问题，即打孔后介质撑等效介电常数的确定问题。为保证连接器阻抗匹配，设计师需要精确知道打孔后介质撑的等效介电常数。但打孔介质撑等效介电常数的确定问题一直没有得到很好解决。目前，设计介质撑时一般有两种处理方法。一种方法是借助HFSS等电磁场仿真软件。不过，这类仿真软件无法直接计算介质撑等效介电常数，只是利用它们进行一些辅助分析，设计效率很低。另一种方法是利用粗略的方法估算打孔介质撑的等效介电常数，这种方法精度很差，仅适应于技术指标不高的同轴连接器介质支撑设计。

由于现有电磁场仿真软件只能处理介质撑设计工作中的正问题，即由已知的介电常数、结构形式等计算连接器的特性阻抗、S参数等，而无法直接计算出打孔介质撑的等效介电常数。因而，借助电磁场仿真软件(如HFSS)进行介质撑设计的工作模式如下：设计人员先根据自身经验确定出初始设计方案，然后利用仿真软件进行仿真分析，再根据仿真结果和个人经验修改介质撑设计方案，如此反复，直到达到要求的设计指标。这种设计方法，过程繁琐、效率低下，同时还依赖于设计人员本身的经验。

由于仿真软件的不足，设计介质撑时，常用“称重法”来估算其等效介电常数，计算公式为：ε_等效＝ε(1-V_孔/V_总)；

其中：ε为介质材料的介电常数，V_孔为挖去介质的体积，V_总为介质支撑总体积。“称重法”没有考虑挖去介质所处的位置，但同轴传输线从内导体到外导体电场强度由强变弱，挖去的介质靠近内导体和靠近外导体对场的影响肯定不一样。因此，“称重法”计算精度低，只能用于技术指标不高的同轴连接器介质支撑设计。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种通孔型介质支撑等效介电常数计算方法。

本发明的技术方案如下：

一种通孔型介质支撑等效介电常数计算方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：对于通孔型介质撑可假设同轴传输线无限长，内部填充了介质材料，介质材料沿同轴线的轴向没有变化，材料不均匀性集中在横截面上；

步骤2：求解填充非均匀介质材料的同轴传输线的电磁场；

步骤3：对于横截面介质分布不均匀的同轴传输线，采用扇形剖分，M为沿极坐标的角度方向旋转一周等角度剖分的次数，N为沿半径方向等间距剖分的次数，设每一个扇面内介质材料的介电常数相同，即均匀分布，建立通孔介质撑等效介电常数的计算公式如下：

式中，a、b分别为同轴连接器内、外导体半径，ε(n,m)中表示第n个圆环区与第m个扇形区构成的重叠区域中介质的介电常数。

采用上述方案，建立了通孔型介质撑等效介电常数的一种有效计算方法，与目前使用的“称重法”相比，该方法具有较高的计算精度，同时还有比较好的计算效率，能够很好满足通孔型介质撑设计工作需求。

附图说明

图1为本发明同轴线横截面扇形部分示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

首先，根据介质撑的实际结构对其进行合理的理论抽象和简化；然后，基于静电场理论以及剖分技术，建立通孔型介质撑等效介电常数计算公式。为了保证介质支撑有一定强度，同轴连接器介质支撑必须有一定的厚度，轴向尺寸要足够得大。因此，对于通孔型介质撑可假设同轴传输线无限长，内部填充了介质材料，介质材料沿同轴线的轴向没有变化，材料不均匀性集中在横截面上。经过这个假设将一个复杂的三维问题转化为二维问题，最终归结为：求解填充非均匀介质材料的同轴传输线的电磁场问题。对于这个特殊的同轴传输线，传输的电磁波主模仍可以认为是TEM模式，因此可借助静电场的分析方法来推导非均匀介质支撑等效介电常数的计算公式。

对于横截面介质分布不均匀的同轴传输线，采用如图1所示的扇形剖分，M为沿极坐标的角度方向旋转一周等角度剖分的次数，N为沿半径方向等间距剖分的次数。假设每一个扇面内介质材料的介电常数相同，即均匀分布。应用静电场理论，建立通孔介质撑等效介电常数的计算公式如下：

式中，a、b分别为同轴连接器内、外导体半径，ε(n,m)中表示第n个圆环区与第m个扇形区构成的重叠区域中介质的介电常数。

在上述内容的基础上，进一步而言，一种通孔型介质支撑等效介电常数计算方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：对于通孔型介质撑可假设同轴传输线无限长，内部填充了介质材料，介质材料沿同轴线的轴向没有变化，材料不均匀性集中在横截面上；

步骤2：求解填充非均匀介质材料的同轴传输线的电磁场；

步骤3：对于横截面介质分布不均匀的同轴传输线，采用扇形剖分，M为沿极坐标的角度方向旋转一周等角度剖分的次数，N为沿半径方向等间距剖分的次数，设每一个扇面内介质材料的介电常数相同，即均匀分布，建立通孔介质撑等效介电常数的计算公式如下：

式中，a、b分别为同轴连接器内、外导体半径，ε(n,m)中表示第n个圆环区与第m个扇形区构成的重叠区域中介质的介电常数。

本发明的关键点有如下几项：

(1)基于合理假设简化通孔型介质撑理论模型。作为一个三维问题，介质撑等效介电常数的求解是一个复杂的问题，实现难度非常大。本发明基于合理的假设，将其转换为一个二维问题，即横向非均匀填充的同轴传输线的电磁场问题，从而可借助于静电场理论进行求解，使问题得以简化。

(2)基于剖分思想处理非均匀介质问题。利用剖分处理将非均匀介质撑细分成均匀介质单元，即将非均匀介质问题转换为均匀介质问题，在此基础上建立起等效介电常数计算公式。

本发明的保护点有如下几项：

(1)建立通孔型介质撑等效介电常数计算公式的思想和具体方法。

(2)通孔型介质撑等效介电常数计算公式。

本发明建立了通孔型介质撑等效介电常数的一种有效计算方法，与目前使用的“称重法”相比，该方法具有较高的计算精度，同时还有比较好的计算效率，能够很好满足通孔型介质撑设计工作需求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种通孔型介质支撑等效介电常数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对于通孔型介质支撑可假设同轴传输线无限长，内部填充了介质材料，介质材料沿同轴线的轴向没有变化，材料不均匀性集中在横截面上；

步骤2：求解填充非均匀介质材料的同轴传输线的电磁场；

步骤3：对于横截面介质分布不均匀的同轴传输线，采用扇形剖分，M为沿极坐标的角度方向旋转一周等角度剖分的次数，N为沿半径方向等间距剖分的次数，设每一个扇面内介质材料的介电常数相同，即均匀分布，建立通孔型介质支撑等效介电常数的计算公式如下：

式中，a、b分别为同轴连接器内、外导体半径，ε(n,m)中表示第n个圆环区与第m个扇形区构成的重叠区域中介质的介电常数。