劉少輝

(華東電子工程研究所 合肥 230088)

1 引言

同軸波導(dǎo)變換器用來實(shí)現(xiàn)同軸傳輸線與波導(dǎo)傳輸線之間的微波模式變換及能量傳輸，一般的同軸波導(dǎo)變換器所用波導(dǎo)均為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，而本文闡述的同軸-扁波導(dǎo)變換器，根據(jù)工程需要，波導(dǎo)部分選用的是非標(biāo)準(zhǔn)扁波導(dǎo)，波導(dǎo)口徑為63.5mm×10.16mm(注:X波段的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口徑為22.86mm×10.16mm)，在X波段，該口徑波導(dǎo)甚至可以傳輸最高TE30高次模，因此該同軸-扁波導(dǎo)變換器的難點(diǎn)就在于高次模的抑制。

2 基本原理

同軸波導(dǎo)變換器的原理大同小異，一般兩種情況:第一種是探針電激勵(lì)，第二種是小環(huán)磁激勵(lì)。激勵(lì)的結(jié)果都是在波導(dǎo)的主模電磁場(chǎng)分布的相應(yīng)位置產(chǎn)生交變的電場(chǎng)或者磁場(chǎng)，由激勵(lì)方式?jīng)Q定。本文設(shè)計(jì)的端射式波導(dǎo)同軸變換器，選用小環(huán)磁激勵(lì)。圖1所示，同軸線內(nèi)導(dǎo)體在波導(dǎo)內(nèi)部與波導(dǎo)寬面采用階梯塊連接，外導(dǎo)體在端面與波導(dǎo)外殼連接，相當(dāng)于形成了一個(gè)小的環(huán)型天線，激發(fā)起波導(dǎo)傳輸線主模式TE10對(duì)應(yīng)的交變磁場(chǎng)。

圖1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3 模式分析

該變換器使用的波導(dǎo)口徑尺寸為63.5mm×10.16mm，由截止頻率計(jì)算公式，得到最初的幾個(gè)模式截止頻率見表1。

表1 扁波導(dǎo)模式及對(duì)應(yīng)截止頻率

表1可見，所選波導(dǎo)口徑除傳輸TE10主模外，還可傳輸TE20、TE30模式，因此，要想方設(shè)法抑制高次模式在波導(dǎo)中的傳輸，或者在模式耦合時(shí)就抑制其產(chǎn)生。

4 電訊設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化

4.1 耦合形式

同軸線內(nèi)導(dǎo)體與波導(dǎo)寬面之間采用階梯形連接形式，利用階梯漸變阻抗過渡，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良性能，該形式在帶寬和小駐波方面很有優(yōu)勢(shì)。

4.2 梯形匹配塊及高次模抑制

圖2 加載梯形匹配塊之前，電場(chǎng)分布圖

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，在規(guī)定傳輸頻段內(nèi)，不存在高次模，不需要外加匹配就能實(shí)現(xiàn)單模傳輸。而對(duì)本文采用的非標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)形式，因?yàn)門E20、TE30模式的存在，若無其他匹配措施，則耦合時(shí)激發(fā)的模式混亂，主模能量損失較大，中心頻率點(diǎn)電場(chǎng)分布見圖2所示。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，本著模式漸變的思想，在耦合段增加了兩個(gè)金屬梯形匹配塊，以求實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的模式耦合過渡，達(dá)到抑制高次模的目的。通過該兩塊金屬梯形匹配塊，針對(duì)微波交變磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，對(duì)高次模式的磁場(chǎng)分布進(jìn)行波形壓縮，使磁場(chǎng)趨于主模分布，并經(jīng)過適當(dāng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了預(yù)想的性能，中心頻率點(diǎn)電場(chǎng)分布見圖3所示。

對(duì)于同軸-扁波導(dǎo)變換器，本文所述的漸變壓縮磁場(chǎng)分布的設(shè)計(jì)思想，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是不同的。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是先從同軸線過渡到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，然后再通過梯形波導(dǎo)過渡到非標(biāo)準(zhǔn)扁波導(dǎo)，兩個(gè)變換的過程是分離的，其中，梯形過渡波導(dǎo)部分會(huì)使變換器的長(zhǎng)度顯著增加，見圖5。而本文的設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)結(jié)果卻能有效減小變換器的長(zhǎng)度，在9.3～10.9GHz頻帶內(nèi)，駐波小于1.2，相對(duì)帶寬為15.8%，器件長(zhǎng)度僅為50mm。而對(duì)于一種同頻段、同樣接口形式、指標(biāo)相近的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)形式的端射式同軸-扁波導(dǎo)變換器，其器件長(zhǎng)度為135mm。對(duì)比可見，本文設(shè)計(jì)形式新穎，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，使得同軸-扁波導(dǎo)變換器的長(zhǎng)度有效降低。

圖5 同軸-扁波導(dǎo)變換器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)

圖7 損耗曲線(2只對(duì)接測(cè)試)

4.3 其他問題

同軸連接器內(nèi)導(dǎo)體與階梯塊之間的連接需考慮電容補(bǔ)償，波導(dǎo)端口注意預(yù)留耦合區(qū)域空間，通過計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化即可實(shí)現(xiàn)。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)理論計(jì)算和仿真優(yōu)化結(jié)果，加工了樣件。對(duì)樣件進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)梯形匹配塊稍作調(diào)整，得到了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6、圖7所示，在1.6GHz的帶寬內(nèi)可實(shí)現(xiàn)駐波小于1.2，兩只變換器對(duì)接損耗優(yōu)于－0.36dB，與仿真結(jié)果也比較吻合。實(shí)驗(yàn)證明，在扁波導(dǎo)情況下，本文闡述的漸變壓縮磁場(chǎng)分布的思路和實(shí)現(xiàn)方法是可行的，優(yōu)點(diǎn)在于改善了器件性能，能有效減小器件的長(zhǎng)度。

圖6 駐波曲線

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的同軸-扁波導(dǎo)變換器，同軸線模式向波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換的同時(shí)，通過加載梯形匹配塊實(shí)現(xiàn)對(duì)高次模式的抑制，取得了良好的效果，在保證器件性能的同時(shí)，使器件的長(zhǎng)度有效降低，有利于滿足某些小型化工程的需要。目前，該設(shè)計(jì)已成功申請(qǐng)實(shí)用新型專利，專利號(hào)ZL200820039444.6。

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