一種通用超寬頻帶波導同軸轉換的設計和HFSS仿真

    摘要：本文主要針對常用頻段波導類微波器件實際調試和測試的工程需要，設計出結構簡單、加工方便、 調試容易，并能覆蓋較寬頻帶的探針激勵形式波導同軸轉換，該種形式的WCC 現已覆蓋BJ32、BJ48 等標準矩形波導口徑，帶寬均已達到40%以上，并在上述波導口徑所覆蓋的全頻帶內獲得優良的電氣性能。

    1.引言

    在一個微波系統中，有時難免會出現兩種不同類型的傳輸線，例如既有同軸線又有矩形波導，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換器。由于激勵器或轉換器直接影響整個系統的性能，故而研究此類元件從而提高它們的性能顯得十分重要[1]。然而激勵器或轉換器邊界條件十分復雜，要嚴格地進行理論分析十分困難，只有極少數結構較為規則的激勵器可作定量分析，傳統的研究方法主要依賴試驗測定 和調節，設計周期較長，因此選擇行之有效的仿真工具可大大提高設計效率。 為了滿足工程需要，本文的波導同軸轉換選用探針激勵形式。根據現有的探針激勵形式的波導同軸轉換研究理論，結合以往的工程經驗，利用Ansoft 公司的HFSS 軟件進行仿真設計與優化，獲得了優良的工作性能。這種波導同軸轉換的帶寬可以達到40%以上，基本 可以覆蓋波導口徑所對應的主模可用頻帶。

    2.波導同軸轉換設計與測試

    2.1 波導同軸轉換基本原理

    常用波導同軸轉換采用探針激勵來實現，它的輸出是通過作為同軸線內導體的細圓柱（即探針）插入矩形波導的寬壁來激勵主模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，根據傳輸功率的大小，所要求的頻帶寬度等激勵裝置都由經驗確定。激勵裝置應與波導很好的匹配，使大部分能量都傳入波導[2]。習慣上我們將探針作為一小天線向矩形波導輻射能量。波導同軸轉換除了要求激勵所需模式外還要求輸出最大功率，使激勵裝置與波導匹配，波導中不存在反射。探針天線向波導內輻射功率的大小，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：適當地選擇探針的長度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到矩形波導中去。

    2.2 分析與設計

    在以往工程實踐中可采用在探針上添加介質套、加粗探針頂端部分的方式來實現阻抗匹配和展寬帶寬的目的。本文在設計中采用探針饋電的基本方式，結合既有的理論分析，參考以往工程實踐經驗，同時采用上述兩種措施來進行設計。

    由于探針在波導中相當于一個小天線，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。對于TE10波型，可將探針置于波導寬壁的中心線處[3]。

   若探針位于波導寬壁的中心線處，探針到波導短路位置的距離l 可取為λ g0/4 （λg 0是對應于中心頻率的波導波長）。在實際的結構中，經過仿真調試，確定l 的選取在該長度附近。為了實現匹配，在探針上添加一個介質套，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的等效阻抗，并能較少對頻率的敏感性，從而達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具有良好的電氣性能。而若想擴寬波導同軸轉換的頻帶，有效的抑制探針所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寬邊具有奇數次電場變化的波，因此需要選擇合適的波導尺寸，使得高次模得以衰減。由于介質套的引入與探針頂端部分加粗的影響，容易在設計頻帶的高端頻點產生TE11/TM11兩種高次模。這兩種高次模的截止波長λ c 均與矩形波導窄壁的內尺寸b 有關，[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準波導口面有一定距離（經過仿真驗證該距離至少為λg /4 ），從而使高次模得到衰減，實現擴寬頻帶的目的。

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