同軸波導轉(zhuǎn)換

1、L 波段同軸線矩形波導轉(zhuǎn)接頭的寬帶設計與實現(xiàn)劉建生 居繼龍 張良(中國傳媒大學京隆廣播技術研究所，北京100024)【摘 要】文章介紹了 L 波段同軸線矩形波導轉(zhuǎn)接頭的一種理論模型， 并對轉(zhuǎn)接頭的輸入阻抗和帶寬進行了研究。 經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)接頭的帶寬特性可以通過改變探針形狀和在矩形波導寬壁上添加若干調(diào)諧螺釘而得到充分改善。 最后，利用基于有限元方法的三維電磁仿真軟件 COMSOL Multiphysics 3.4 ，對這種模型進行了全波分析和優(yōu)化，最 佳傳輸特性能夠?qū)崿F(xiàn)在全波導帶寬內(nèi)( 1.131.73GHz )回波損耗-28dB以下，從而驗證了這種結構的可行性。 【關鍵詞】 L 波段；寬帶；

2、轉(zhuǎn)接頭Design and Realization of Broad Band Rectangular Waveguide-CoaxialAdapter at L-bandLIU Jian-sheng, JU Ji-long, ZHANG Liang(Beijing-Lund Broadcasting Tech Lab, Communication University of China, Beijing 100024)Abstract: The paper describes a theoretical model of coaxial-rectangular waveguide adapt

3、er at L-band. Input impedance and band width for the adapter is researched. After a careful investigation, we found that the bandwidth of the adapter could be fully improved by changing the probe shape and adding some tuning screws at the broad wall of the rectangular waveguide. In the end, the full

4、-wave analysis and optimizing of a L-band coaxial-rectangular waveguide adapter are presented, using three-dimensional electromagnetic simulation software COMSOL Multiphysics 3.4 which is based on Finite Element Method. The optimal results show that the return loss from the coax-to- rectangular wave

5、guide transition is better than -28 dB at the total bandwidth (1.131.73GHz) of corresponding rectangular waveguide. The result shows the structure is feasible.Key words: L-band; Broad band; Adapter1. 引言在廣播電視發(fā)射系統(tǒng)和微波通訊領域中，同軸矩形波導轉(zhuǎn)換接頭是一個不可缺少的元件。在 好多微波系統(tǒng)里，例如天線、發(fā)射機、接收機和載波終端設備等，普遍用到了同軸波導轉(zhuǎn)換接頭。 在微波輸入、輸出電路中，較

6、強的反射波將可能對發(fā)射機或其它級聯(lián)器件的正常工作造成嚴重干擾, 導致微波系統(tǒng)性能不穩(wěn)定，因此對轉(zhuǎn)換的基本要求是： (1) 低駐波、低的插入損耗； (2) 有足夠的頻 帶寬度； (3) 便于設計加工。到目前為止，寬帶同軸波導轉(zhuǎn)換的方法主要有：利用階梯波導轉(zhuǎn)換、探針套介質(zhì)轉(zhuǎn)換等。階梯 波導轉(zhuǎn)換是一種有良好過渡特性的結構，但需要精確的機械加工，體積也較大；探針套介質(zhì)轉(zhuǎn)換型 接頭的同軸內(nèi)導體用介質(zhì)套住， 雖然這樣降低了波導的等效阻抗， 減小了阻抗對頻率變化的敏感性， 從而展寬了頻帶，但是，加了介質(zhì)套筒后，會降低轉(zhuǎn)換器的功率容量，因此這種裝置多用于功率較 低的情況。而且據(jù) 8 報道，內(nèi)導體加介質(zhì)護套對電

7、大尺寸的轉(zhuǎn)接頭并不能改善帶寬，但對電小尺寸 的轉(zhuǎn)接頭，在低介電常數(shù)時，可以增加帶寬。L波段衛(wèi)星數(shù)字聲音廣播具有廣播質(zhì)量高、覆蓋面廣等特點，隨著L波段衛(wèi)星數(shù)字音頻廣播技 術的迅速發(fā)展以及手機電視TDMB在L波段的覆蓋，最近我們對L波段的同軸一矩形波導轉(zhuǎn)接頭進行了研究。該器件在相應矩形波導（WR650 ）單模（TEio模）工作的全部帶寬內(nèi)（1.131.73GHz ）具有良好的駐波系數(shù)。2. 理論分析波導接頭的分析和設計，屬于波導中的不連續(xù)問題。圖1表示探針激勵的同軸一矩形波導轉(zhuǎn)接頭。要精確地確定接頭的帶寬和反射特性，關鍵是找出從同軸端看進去的輸入阻抗的實部和虛部， 它們是由插入波導內(nèi)探針的自由感應

8、電流導出的。由于在矩形波導中插入了探針，并在寬壁上開了 孔，從而造成結構上的不連續(xù)性，這必然會在同軸線與波導的連接處產(chǎn)生高次模。但是，這種高次 模在距連接處稍遠的區(qū)域內(nèi)會很快地衰減掉（因為波導對它們是截止的）。174#現(xiàn)在假設波導內(nèi)壁和探針均為理想導體，探針在矩形波導寬邊的正中位置?？紤]電流對探針的 激勵，忽略其它任何的電磁耦合，那么該接頭從同軸向波導看進去的輸入阻抗為：j(X2 + X3 + X4 )(1)#式中E為分布在探針體積 V上的電流J在波導內(nèi)產(chǎn)生的電場， Iin是輸入電流，Rin是輸入阻抗的實 部，X2、X3、X4是輸入阻抗的虛部，X2是矩形波導中 TEio主模產(chǎn)生的電抗，X3、X

9、4是高階模引起的 電抗。在TEio單模工作頻率范圍內(nèi)，因為高階模可截止，因此X3、X4電抗忽略不計。Rin、X2分別表示240 n為：Rn =tg2?kh?si(kjjl- (n/ka)2)abk21-(n/ka)2?2?宀 ')X2 =120 ntg2?kh ?sin2 (2kLi 1-(n/ka)2)abk2 ；1- (n/ka)2?2 ?因此，從同軸端看進去的輸入反射系數(shù)為：Zin - Z0Zin + Z0其中Z0是同軸線的特性阻抗。通過反射系數(shù)和回波損耗的關系，就可計算出矩形波導一同軸接頭的 回波損耗特性。雖然適當?shù)剡x擇L" h的尺寸，能使接頭在工作頻段內(nèi)輸入阻抗的電

10、阻部分接近于同軸線的特性阻抗，從而得到低回波損耗的同軸一矩形波導轉(zhuǎn)接頭，但是帶寬很有限。為實現(xiàn)從同 軸線低阻抗（一般是 50 Q）到波導高阻抗（一般大于377 Q）的最佳過渡，對同軸線來說，需要引 入階梯阻抗，對矩形波導來說，需要引入調(diào)諧螺釘來改進匹配。這樣才能使轉(zhuǎn)換器在較寬的頻率范 圍內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配。3. 理論模型設計圖2是L波段寬帶同軸線一矩形波導轉(zhuǎn)接頭的主剖面圖，波導部分為 WR650標準矩形波導（單模工作頻率范圍是 1.131.73GHz，中心頻率1.4GHz對應的波導波長為入g=281mm，長邊a= 165.1mm，窄邊b = 82.55mm。矩形波導一端短路，另一端為輸出端，輸出端

11、設有一法蘭，探針到短 路面的距離為L!，轉(zhuǎn)接頭的總長L = 200mm。同軸端口采用1 5/8 '標準電纜，Z°=50 Q,同軸線與矩 形波導寬邊垂直，它的外導體與矩形波導寬邊連接。同軸線外殼內(nèi)徑d1=38.8m m。內(nèi)導體分為兩段圓柱，直徑分別為d2= 16.9mm、d3= 30.86mm ,高度分別為h1、h2。其中探針頂部有半徑為 r= 0.5mm 的倒角。在已確定波導的口徑尺寸下，其他尺寸按照下面一組經(jīng)驗公式確定。圖2寬帶同軸一矩形波導結構圖1）由于在探針點的電場是最強的，設在探針點的電場為E=UCOS，短路面點的電場應為E=0.5UCOS，則=60°。60

12、 °/360° =0.1667，因此探針到短路面的距離為:L1 0.1667 入 g=47mm。2）WR650矩形波導的尺寸為 ax b=161.5mm x 82.55mm ,因此同軸探針距輸入面的距離：h =h1 +h2=b/2=41.28mm，其中 h1=h2=h/2=20.6mm。3）內(nèi)導體末端大導體的直徑：d3 2d24）改善匹配的方法是將調(diào)諧螺釘置于波導體內(nèi)，調(diào)諧螺釘?shù)某叽缈蓞⒄胀S電纜內(nèi)導體的尺寸而略小為宜，我們選用5的鋁棒（必要時鍍銀）。第一個調(diào)諧螺釘距離探針的距離y1 -入g/8=34.7，第一個調(diào)諧螺釘距離探針的距離y2入g/4=69.5mm。4. 驗證分

13、析在許多微波系統(tǒng)中，經(jīng)常需要將一種波導系統(tǒng)與另一種波導系統(tǒng)相接，其中最常見的就是同軸 線到矩形波導的轉(zhuǎn)接。隨著高速大容量計算機的出現(xiàn)，人們可以應用各種數(shù)值計算方法對其進行精 確分析和優(yōu)化設計。過去是根據(jù)經(jīng)驗來設計轉(zhuǎn)接頭，既浪費材料，設計周期又長。因此利用計算機 輔助設計是產(chǎn)品開發(fā)不可缺少的一步。下面通過仿真來分析理論模型的電特性。按照上面經(jīng)驗估計的數(shù)據(jù)，在COMSOL Multiphysics3.4中繪出如圖2所示轉(zhuǎn)接頭的三維結構。采用1 5/8標準同軸端口作為輸入口，然后進行材料設置、端口和輻射邊界的設置及求解方面的設置，同軸線外導體為黃銅，內(nèi)導體和階梯探針為黃銅鍍銀， 矩形波導壁為鋁板，黃

14、銅的電導率為bcu= 1.5 x 107s/m,鋁的電導率為c ai = 3.8 x 107s/m,同軸線和矩形波導內(nèi)填充的介質(zhì)都為空氣，空氣相對介電常數(shù)為&r = 1。掃描頻率設置為1.131.73GHz,完成后開始求解調(diào)試。因為同軸線內(nèi)導體的直徑是固定的，因此只需要調(diào)節(jié)內(nèi)導體伸入波導的長度0、內(nèi)導體末端所掛導體圓盤的直徑 d3和高度h2、探針到短路面的距離 L1以及兩個調(diào)諧螺釘?shù)奈恢?y1,y及他們的深 度，具體方法是先固定其中一個變量，調(diào)節(jié)另一個變量，然后觀察仿真結果，再做出調(diào)整，一直調(diào) 整到得出滿意結果為止。對于同軸一矩形波導轉(zhuǎn)換器的仿真來說，我們最關心的便是通帶內(nèi)的回波損耗。

15、經(jīng)過調(diào)試、優(yōu)化，因為有了理論估計的尺寸，很短時間就可確定接頭具有最佳傳輸特性時的結構尺寸(L1=52.8mm、m=19mm、h2=22.2mm、d3=30.86mm ,y=37mm ,y=63.5mm ),具有最佳傳輸特性時的回波損耗曲 線如圖3 ( a) (b)所示。圖3 (a)是單個同軸波導的回波損耗曲線，圖3 (b)是兩個一模一樣的同軸波導背靠背接在一起時的回波損耗曲線。He turn. Lra圖3 ( a)單個同軸波導回波損耗曲線1, 1.via1二一聊鎰愛註罩切圖3 (b)兩個同軸波導接一起時回波損耗曲線He-tum. Ltsss1,4 M0176#從圖3( a) (b)結果可看出，

16、回波損耗w -28dB的頻率范圍為1.13- 1.73GHz ,中心頻率1.4GHz, 相對帶寬可以達到 43%，從而表明設計是可行的。在調(diào)試的過程中，發(fā)現(xiàn)：1)探針到短路面的距離 L1的變化，直接影響器件回波損耗數(shù)據(jù)。下面我們做了5檔測試，=2mm結果如圖4所示，調(diào)試數(shù)據(jù)說明，Lj的變化使曲線上下平移，并且在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)有 一個最佳值。Recurn Loss#ftL1=6.6-n-riL1=50.6TITI I1 3I tix 1：|1.4Fneqi.eDiy521:-U二S.8P JlmlaJUEJBd-s#圖4探針到短路面的距離變化對回波損耗的影響2)圖5比較了不插入螺釘、插入第一顆螺釘、

17、同時插入兩顆螺釘時，接頭的回波損耗曲線。 仿真結果表明，調(diào)諧螺釘?shù)膽?，很大程度上改善了轉(zhuǎn)接頭的帶寬。Rstum Loss-idDF1Q前用尸F(xiàn)requency圖5匹配螺釘對接頭回波損耗的影響xlu15. 結論通常，我們認為探針激勵波導的轉(zhuǎn)接頭頻帶較窄，然而我們發(fā)現(xiàn)改變探針形狀和增加調(diào)諧螺釘，可以增加帶寬。本文正是介紹了這種寬帶同軸一矩形波導轉(zhuǎn)接頭的原理和設計方法，結合經(jīng)驗和計 算機輔助設計來設計這種轉(zhuǎn)接頭，既不浪費材料，大大縮短了設計周期。根據(jù)這種方法設計的L波段同軸一矩形波導轉(zhuǎn)接頭，在全波導帶寬內(nèi)(1.131.73GHz )回波損耗-28dB以下，而且不需要多級轉(zhuǎn)換、結構緊湊、外形尺寸小、

18、加工方便、裝卸容易。此元件可望在工程實踐中得到實際應用。參考文獻1 柯林R E著,呂繼堯譯.微波工程基礎.北京:人民郵電出版社.1981, pp. 206 - 211.2 陳明珠.W波段矩形波導-同軸轉(zhuǎn)換器的研制.光纖與電纜及其應用技術，1996,(02).3 A. G . Williamson, “Coaxially fed, hollow probe in a rectangular waveguide,” Proc. IEE, vol. 132, pt. H, pp. 273-285,1985.4 I. M. Jarem.“ A method of moments and a finit

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