一種通用超寬頻帶波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)和HFSS仿真

    摘要：本文主要針對常用頻段波導(dǎo)類微波器件實(shí)際調(diào)試和測試的工程需要，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、 調(diào)試容易，并能覆蓋較寬頻帶的探針激勵形式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換，該種形式的WCC 現(xiàn)已覆蓋BJ32、BJ48 等標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)口徑，帶寬均已達(dá)到40%以上，并在上述波導(dǎo)口徑所覆蓋的全頻帶內(nèi)獲得優(yōu)良的電氣性能。

    1.引言

    在一個微波系統(tǒng)中，有時難免會出現(xiàn)兩種不同類型的傳輸線，例如既有同軸線又有矩形波導(dǎo)，或既有同軸線又有微帶線，把兩種不同類型傳輸線連接起來的微波元件稱為激勵器或轉(zhuǎn)換器。由于激勵器或轉(zhuǎn)換器直接影響整個系統(tǒng)的性能，故而研究此類元件從而提高它們的性能顯得十分重要[1]。然而激勵器或轉(zhuǎn)換器邊界條件十分復(fù)雜，要嚴(yán)格地進(jìn)行理論分析十分困難，只有極少數(shù)結(jié)構(gòu)較為規(guī)則的激勵器可作定量分析，傳統(tǒng)的研究方法主要依賴試驗(yàn)測定 和調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)周期較長，因此選擇行之有效的仿真工具可大大提高設(shè)計(jì)效率。 為了滿足工程需要，本文的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換選用探針激勵形式。根據(jù)現(xiàn)有的探針激勵形式的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換研究理論，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，利用Ansoft 公司的HFSS 軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化，獲得了優(yōu)良的工作性能。這種波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的帶寬可以達(dá)到40%以上，基本 可以覆蓋波導(dǎo)口徑所對應(yīng)的主模可用頻帶。

    2.波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)與測試

    2.1 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換基本原理

    常用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換采用探針激勵來實(shí)現(xiàn)，它的輸出是通過作為同軸線內(nèi)導(dǎo)體的細(xì)圓柱（即探針）插入矩形波導(dǎo)的寬壁來激勵主模TE10 波的。在這種裝置中，探針兩邊都將激勵起電磁波，因此要很好的選擇短路面的位置來使同軸線與波導(dǎo)之間很好的匹配。值得注意的是，金屬探針還會激勵起不少其它的模式，如TE11、TE01、TE12、TM11、TM12 等，但只要選擇合適的波導(dǎo)尺寸，使得λ g(其它模式）< λ <λg(TE10)，就能使其它高次模在靠近激勵裝置的附近就衰減了。一般情況下，根據(jù)傳輸功率的大小，所要求的頻帶寬度等激勵裝置都由經(jīng)驗(yàn)確定。激勵裝置應(yīng)與波導(dǎo)很好的匹配，使大部分能量都傳入波導(dǎo)[2]。習(xí)慣上我們將探針作為一小天線向矩形波導(dǎo)輻射能量。波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換除了要求激勵所需模式外還要求輸出最大功率，使激勵裝置與波導(dǎo)匹配，波導(dǎo)中不存在反射。探針天線向波導(dǎo)內(nèi)輻射功率的大小，通常用探針的輻射電阻R 來表示，可以寫成

    可從上述（1）式中明顯地看出：適當(dāng)?shù)剡x擇探針的長度d和短路位置l 就能使輻射電阻R等于同軸線的等效阻抗Ze，這樣就能保證同軸線探針的功率大部分傳輸?shù)骄匦尾▽?dǎo)中去。

    2.2 分析與設(shè)計(jì)

    在以往工程實(shí)踐中可采用在探針上添加介質(zhì)套、加粗探針頂端部分的方式來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和展寬帶寬的目的。本文在設(shè)計(jì)中采用探針饋電的基本方式，結(jié)合既有的理論分析，參考以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時采用上述兩種措施來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

    由于探針在波導(dǎo)中相當(dāng)于一個小天線，向四周輻射能量。其位置按耦合匹配要求而定， 比如，在電場波腹處，即寬邊a 的中間，使得耦合最強(qiáng)。對于TE10波型，可將探針置于波導(dǎo)寬壁的中心線處[3]。

   若探針位于波導(dǎo)寬壁的中心線處，探針到波導(dǎo)短路位置的距離l 可取為λ g0/4 （λg 0是對應(yīng)于中心頻率的波導(dǎo)波長）。在實(shí)際的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過仿真調(diào)試，確定l 的選取在該長度附近。為了實(shí)現(xiàn)匹配，在探針上添加一個介質(zhì)套，所用的材料選擇工程上常用的Teflon （εr ＝2.1），這樣可以有效的降低波導(dǎo)的等效阻抗，并能較少對頻率的敏感性，從而達(dá)到改善匹配和展寬帶寬的目的。

    對于測試附件而言，要求在盡可能寬的頻帶內(nèi)具有良好的電氣性能。而若想擴(kuò)寬波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的頻帶，有效的抑制探針?biāo)�激勵出的高次模是非常重要的。除所需的主模TE10 模之外，探針能激勵起沿波導(dǎo)寬邊具有奇數(shù)次電場變化的波，因此需要選擇合適的波導(dǎo)尺寸，使得高次模得以衰減。由于介質(zhì)套的引入與探針頂端部分加粗的影響，容易在設(shè)計(jì)頻帶的高端頻點(diǎn)產(chǎn)生TE11/TM11兩種高次模。這兩種高次模的截止波長λ c 均與矩形波導(dǎo)窄壁的內(nèi)尺寸b 有關(guān)，[4]可以通過減小b 尺寸來降低高次模的截止波長，同時要保證探針到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口面有一定距離（經(jīng)過仿真驗(yàn)證該距離至少為λg /4 ），從而使高次模得到衰減，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)寬頻帶的目的。

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