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标题: 超宽频带波导同轴转换的设计和HFSS仿真 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 16:48
标题: 超宽频带波导同轴转换的设计和HFSS仿真
本文主要针对常用频段波导类微波器件实际调试和测试的工程需要，设计出结构简单、加工方便、调试容易，并能覆盖较宽频带的探针激励形式波导同轴转换，该种形式的WCC 现已覆盖BJ32、BJ48 等标准矩形波导口径，带宽均已达到40%以上，并在上述波导口径所覆盖的全频带内获得优良的电气性能。

1.引言
在一个微波系统中，有时难免会出现两种不同类型的传输线，例如既有同轴线又有矩形波导，或既有同轴线又有微带线，把两种不同类型传输线连接起来的微波元件称为激励器或转换器。由于激励器或转换器直接影响整个系统的性能，故而研究此类元件从而提高它们的性能显得十分重要[1]。然而激励器或转换器边界条件十分复杂，要严格地进行理论分析十分困难，只有极少数结构较为规则的激励器可作定量分析，传统的研究方法主要依赖试验测定和调节，设计周期较长，因此选择行之有效的仿真工具可大大提高设计效率。为了满足工程需要，本文的波导同轴转换选用探针激励形式。根据现有的探针激励形式的波导同轴转换研究理论，结合以往的工程经验，利用Ansoft 公司的HFSS 软件进行仿真设计与优化，获得了优良的工作性能。这种波导同轴转换的带宽可以达到40%以上，基本可以覆盖波导口径所对应的主模可用频带。

2.波导同轴转换设计与测试
2.1 波导同轴转换基本原理
常用波导同轴转换采用探针激励来实现，它的输出是通过作为同轴线内导体的细圆柱（即探针）插入矩形波导的宽壁来激励主模TE10 波的。在这种装置中，探针两边都将激励起电磁波，因此要很好的选择短路面的位置来使同轴线与波导之间很好的匹配。值得注意的是，金属探针还会激励起不少其它的模式，如TE11、TE01、TE12、TM11、TM12 等，但只要选择合适的波导尺寸，使得λ g(其它模式）< λ <λg(TE10)，就能使其它高次模在靠近激励装置的附近就衰减了。一般情况下，根据传输功率的大小，所要求的频带宽度等激励装置都由经验确定。激励装置应与波导很好的匹配，使大部分能量都传入波导。习惯上我们将探针作为一小天线向矩形波导辐射能量。波导同轴转换除了要求激励所需模式外还要求输出最大功率，使激励装置与波导匹配，波导中不存在反射。探针天线向波导内辐射功率的大小，通常用探针的辐射电阻R 来表示，可以写成

可从上述（1）式中明显地看出：适当地选择探针的长度d和短路位置l 就能使辐射电阻R等于同轴线的等效阻抗Ze，这样就能保证同轴线探针的功率大部分传输到矩形波导中去。

2.2 分析与设计
在以往工程实践中可采用在探针上添加介质套、加粗探针顶端部分的方式来实现阻抗匹配和展宽带宽的目的。本文在设计中采用探针馈电的基本方式，结合既有的理论分析，参考以往工程实践经验，同时采用上述两种措施来进行设计。

由于探针在波导中相当于一个小天线，向四周辐射能量。其位置按耦合匹配要求而定，比如，在电场波腹处，即宽边a 的中间，使得耦合最强。对于TE10波型，可将探针置于波导宽壁的中心线处。

若探针位于波导宽壁的中心线处，探针到波导短路位置的距离l 可取为λ g0/4 （λg 0是对应于中心频率的波导波长）。在实际的结构中，经过仿真调试，确定l 的选取在该长度附近。为了实现匹配，在探针上添加一个介质套，所用的材料选择工程上常用的Teflon （εr ＝2.1），这样可以有效的降低波导的等效阻抗，并能较少对频率的敏感性，从而达到改善匹配和展宽带宽的目的。

对于测试附件而言，要求在尽可能宽的频带内具有良好的电气性能。而若想扩宽波导同轴转换的频带，有效的抑制探针所激励出的高次模是非常重要的。除所需的主模TE10 模之外，探针能激励起沿波导宽边具有奇数次电场变化的波，因此需要选择合适的波导尺寸，使得高次模得以衰减。由于介质套的引入与探针顶端部分加粗的影响，容易在设计频带的高端频点产生TE11/TM11两种高次模。这两种高次模的截止波长λ c 均与矩形波导窄壁的内尺寸b 有关，[4]可以通过减小b 尺寸来降低高次模的截止波长，同时要保证探针到标准波导口面有一定距离（经过仿真验证该距离至少为λg /4 ），从而使高次模得到衰减，实现扩宽频带的目的。

2.3 建模与仿真
使用HFSS，建立模型，并进行仿真计算。完整的仿真模型如图1 所示，仿真结果如图2 与图3 所示：

图1 波导同轴转换仿真模型

图2 BJ120口径波导同轴转换仿真结果图3 BJ40口径波导同轴转换仿真结果

BJ40 波导同轴转换频段为3.4GHz～4.8GHz，仿真得到回波损耗优于-31dB；BJ120 波导同轴转换频段为 9.5GHz～15GHz，仿真得到回波损耗优于-25.5dB。还可以采用使探针偏离波导宽壁中心的方式，减少对频带的敏感性，以便达到展宽频带的目的。目前采用此种偏心方式，经过仿真已能覆盖BJ32、BJ48 等常用矩形波导口径对应的主模工作频段，回波损耗优于-28dB。采用偏心馈电方式的波导同轴转换如图4所示：

图4 偏心波导同轴转换仿真模型

仿真结果如下图：

图5 偏馈形式 BJ32 口径波导同轴转换仿真结果图6 偏馈形式BJ48 口径波导同轴转换仿真结果

BJ32 波导同轴转换工作频段为2.6GHz～4.0GHz，仿真得到回波损耗优于-28dB；BJ48 波导同轴转换频段为 3.5GHz～6.0GHz，仿真得到回波损耗优于-28.5dB。

2.4 实测结果
根据设计方案制作加工了BJ40 和BJ120 两种口径的波导同轴转换，使用Agilent E8363C 矢量网络分析仪进行器件的测试，完成对仿真结果的验证。所加工的波导同轴转换实物如下图：

图7 BJ40 口径波导同轴转换实物图8 BJ120 口径波导同轴转换实物

加工的两种波导同轴转换如图9 与图10 所示：

图9 BJ40 口径波导同轴转换测试结果图10 BJ120 口径波导同轴转换测试结果

BJ40口径测试频段为3.4GHz～4.8GHz，测试结果优于-28dB，BJ120 口径测试频段为9.5GHz～15GHz，测试结果在绝大部分频段优于-21dB。

2.5 误差分析
从测试结果可以看出，BJ40口径的波导同轴转换实测结果与仿真曲线符合得很好，而BJ120 口径的波导同轴转换实测结果与仿真曲线有一定差别。这是由于实验用的BJ120 口波导同轴转换采用SFT-50-2-1 的半钢同轴电缆外皮作为探针加粗部分，而非专门加工制成，焊接后探针实际尺寸与仿真尺寸有一定的差异，对器件驻波特性影响较大。通过实际装配调试，可以看出波导同轴转换的装配工艺水平会对器件的电气性能有直接影响，装配精度越高，实测的结果与仿真结果符合度越好。工作频段越高，对器件的加工、装配工艺的精度要求越高。

3.结论
本文依据现有的波导同轴转换和波导理论，结合工程实践，提出了一种能覆盖矩形波导常用口径型号的波导同轴转换，并利用HFSS 仿真软件对工程设想进行有效的设计和优化，达到了令人满意的效果。该形式波导同轴转换工作带宽基本超过40％，绝大部分频段回波损耗优于-25dB，具有良好的工作特性，并且结构简单，无需过多的组装和调试，具有很强的工程实用特性。

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