现代微波技术的迅速发展对滤波器、双工器等微波无源器件的性能指标提出了越来越高的要求。采用经典的等效电路法设计的微波无源器件精度不高,调试难度大,已很难适应时代发展的需要。基于严格场理论的模式匹配法因其精度高、运算速度快等优点而得到国内外研究工作者的高度重视。由于考虑了金属膜片的有限厚度和不连续处高次模的相互影响,利用该方法设计的微波无源器件具有很高的精度。此外,基于模式匹配法的最优化设计,可以使器件的结构更加合理。因此,模式匹配法的研究对提高微波无源器件性能指标,缩短器件设计周期,以及器件小型化都具有十分重要的意义。微波无源器件通常是由若干通用的基本单元所构成,如波导阶梯、T接头等。模式匹配法以这些基本单元为研究对象。利用模式匹配法和矩阵级联技术可以得到微波无源器件的广义散射矩阵。在此基础上,可采用FORTRAN等计算机语言编写程序进行电磁仿真。给定技术指标下的无源器件尺寸参数则可以通过基于模式匹配法的最优化技术而获得。本文主要目的是研究微波无源器件的高精度模式匹配法电磁仿真和最优化技术,以实现对这类器件的快速精确设计。主要工作概括如下:1 系统地研究了常用微波无源器件结构中若干通用基本单元的模式匹配分析方法。均匀柱形导波系统中二端口网络不连续性的模式匹配分析方法有许多共性,本文首先给出其耦合系数矩阵和广义散射矩阵的通用表达式。对于矩形波导、圆波导、同轴线、脊波导中具体的二端口不连续性,先确定其中的本征函数和功率归一化系数,然后按通式求得耦合系数矩阵进而得到广义散射矩阵。在这些分析中,最复杂的是脊波导不连续性,因为脊波导中截止波数未知,而且本征函数为级数求和的形式。除二端口不连续性外,本文还对矩形波导中常用的波导分叉以及T接头两种三端口基本单元进行了模式匹配分析。2 基于模式匹配法采用FORTRAN语言编写了所研究基本单元的电磁仿真程序。针对每个基本单元所编写的程序都是一个通用的程序模块,可用级联程序将所需要的基本单元级联起来以分析更为复杂的微波器件结构。给定技术指标求得无源器件尺寸是一个最优化问题。本文采用罚函数优化方法,优化时器件尺寸的<WP=6>初始值通过等效电路法求出。3 利用所编写的电磁仿真程序,优化设计并加工了一系列微波无源器件。本文中涉及到的微波无源器件包括矩形波导低通及带通滤波器、双工器、耦合器,圆波导带通滤波器,同轴线糖葫芦式低通滤波器,以及宽带脊波导带通滤波器。HP标量网络分析仪的测试结果表明,器件的模式匹配法仿真结果与实测结果吻合很好。这一方面说明了本文公式推导和程序编写的正确性,同时也表明模式匹配法具有很高的精度。