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

本文主要針對(duì)常用頻段波導(dǎo)類微波器件實(shí)際調(diào)試和測(cè)試的工程需要，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、 調(diào)試容易，并能覆蓋較寬頻帶的探針激勵(lì)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(gè)微波系統(tǒng)中，有時(shí)難免會(huì)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(lì)器或轉(zhuǎn)換器。由于激勵(lì)器或轉(zhuǎn)換器直接影響整個(gè)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(lì)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(lì)器可作定量分析，傳統(tǒng)的研究方法主要依賴試驗(yàn)測(cè)定 和調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，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(lì)形式。根據(jù)現(xiàn)有的探針激勵(lì)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(duì)應(yīng)的主模可用頻帶。

2.波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)與測(cè)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(lì)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(lì)主模TE10 波的。在這種裝置中，探針兩邊都將激勵(lì)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(huì)激勵(lì)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(lì)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(lì)裝置都由經(jīng)驗(yàn)確定。 激勵(lì)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)。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(lì)所需模式外還要 求輸出最大功率，使激勵(lì)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(zhǎng)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(shí)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(gè)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(chǎng)波腹處，即寬邊a 的中間，使得耦合最強(qiáng)。對(duì)于TE10波型，可將探針置于波導(dǎo)寬壁的中心線處。

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(duì)應(yīng)于中心頻率的波導(dǎo)波長(zhǎng)）。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(zhǎng)度附近。為了實(shí)現(xiàn)匹配，在探針上添加一個(gè)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(duì)頻率的敏感性，從而達(dá)到改善匹配和展寬帶寬的目的。

對(duì)于測(cè)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)?lì)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(lì)起沿波導(dǎo)寬邊具有奇數(shù)次電場(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)，同時(shí)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。

2.3 建模與仿真

使用HFSS，建立模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算。完整的仿真模型如圖1 所示，仿真結(jié)果如圖2 與圖3 所示：

圖1 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換仿真模型

圖2 BJ120口徑波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換仿真結(jié)果 圖3 BJ40口徑波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換仿真結(jié)果

BJ40 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換頻段為3.4GHz～4.8GHz，仿真得到回波損耗優(yōu)于-31dB；BJ120 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換頻段為 9.5GHz～15GHz，仿真得到回波損耗優(yōu)于-25.5dB。 還可以采用使探針偏離波導(dǎo)寬壁中心的方式，減少對(duì)頻帶的敏感性，以便達(dá)到展寬頻帶的目的。目前采用此種偏心方式，經(jīng)過仿真已能覆蓋BJ32、BJ48 等常用矩形波導(dǎo)口徑對(duì)應(yīng)的主模工作頻段，回波損耗優(yōu)于-28dB。 采用偏心饋電方式的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換如圖4所示：

圖4 偏心波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換仿真模型

仿真結(jié)果如下圖：

圖5 偏饋形式 BJ32 口徑波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換仿真結(jié)果 圖6 偏饋形式BJ48 口徑波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換仿真結(jié)果

BJ32 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換工作頻段為2.6GHz～4.0GHz，仿真得到回波損耗優(yōu)于-28dB；BJ48 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換頻段為 3.5GHz～6.0GHz，仿真得到回波損耗優(yōu)于-28.5dB。

2.4 實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作加工了BJ40 和BJ120 兩種口徑的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換，使用Agilent E8363C 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行器件的測(cè)試，完成對(duì)仿真結(jié)果的驗(yàn)證。所加工的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換實(shí)物如下圖：

圖7 BJ40 口徑波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換實(shí)物 圖8 BJ120 口徑波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換實(shí)物

加工的兩種波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換如圖9 與圖10 所示：

圖9 BJ40 口徑波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換測(cè)試結(jié)果 圖10 BJ120 口徑波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換測(cè)試結(jié)果

BJ40口徑測(cè)試頻段為3.4GHz～4.8GHz，測(cè)試結(jié)果優(yōu)于-28dB，BJ120 口徑測(cè)試頻段為9.5GHz～15GHz，測(cè)試結(jié)果在絕大部分頻段優(yōu)于-21dB。

2.5 誤差分析

從測(cè)試結(jié)果可以看出，BJ40口徑的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真曲線符合得很好，而BJ120 口徑的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真曲線有一定差別。這是由于實(shí)驗(yàn)用的BJ120 口波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換采用SFT-50-2-1 的半鋼同軸電纜外皮作為探針加粗部分，而非專門加工制成，焊接后探針實(shí)際尺寸與仿真尺寸有一定的差異，對(duì)器件駐波特性影響較大。通過實(shí)際裝配調(diào)試，可以看 出波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的裝配工藝水平會(huì)對(duì)器件的電氣性能有直接影響，裝配精度越高， 實(shí)測(cè)的結(jié)果與仿真結(jié)果符合度越好。工作頻段越高，對(duì)器件的加工、裝配工藝的精度要求越高。

3.結(jié)論

本文依據(jù)現(xiàn)有的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換和波導(dǎo)理論，結(jié)合工程實(shí)踐，提出了一種能覆蓋矩形波導(dǎo)常用口徑型號(hào)的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換，并利用HFSS 仿真軟件對(duì)工程設(shè)想進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，達(dá)到了令人滿意的效果。該形式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換工作帶寬基本超過40％，絕大部分頻段回波損耗優(yōu)于-25dB，具有良好的工作特性，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需過多的組裝和調(diào)試，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用特性。