圓波導耦合ＴＭ₀₁模旋轉關節仿真設計

摘 要：簡單介紹了圓波導耦合TM₀₁模旋轉關節的基本原理、設計思路以及仿真方法。這種旋轉關節的特點是能承受高脈沖功率，且旋轉相位穩定，在承受大功率脈沖雷達饋線中是較為理想的旋轉關節之一。依照本文的設計思路，可以方便、快速地確定旋轉關節的尺寸，隨后應用仿真軟件對所設計的旋轉關節進行電氣性能上的優化，使其可以達到一個比較理想的電氣性能指標。

關鍵詞：旋轉關節;相位穩定;高功率;圓波導

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0517902

Simulation Design of the Circular Waveguide Rotation Junction with Coupling TM₀₁

YIN Pengfei，ZHANG Chengquan

(No.39th Research Institute，China Electronic Science and Technology Group Corporation，Xi′an，710065，China)

Abstract：The paper introduces basic principle，design thoughts and simulation of circular waveguide coupling TM₀₁ rotation junction.The characteristics of the rotation junction is to bear the high pulse power and its phase is stable in working.It is one of the ideal rotation junction working in high power pulse radar feed line.According to design thoughts，the size of rotation junction can be easily and quickly certained，it opitimizes designed elecerical performance by using simulation software，makes it reach the ideal standard.

Keywords：rotation junction;stable phase;high power;circular waveguide

波導旋轉關節是工程中經常用到的微波器件，目前工程中使用的均為同軸式旋轉關節，或圓波導式關節，其工作模式分別為TEM模和TE₁₁模。本文介紹一種用于某雷達工程中的波導旋轉關節的基本原理及設計方法。

1 旋轉關節的設計

圓波導中傳輸的高次波型TM₀₁模，其場型結構如圖1所示。從場型分布可以看出：電場與圓周處“垂直旋轉對稱，相位穩定”。根據圓波導的設計原理，初步選取波導尺寸，并在圓波導兩端對稱地開孔，選取合適的孔徑尺寸，使圓波導中的TM₀₁模被矩形波導中的TE₁₀模所激勵，這是因為矩形波導中TE₁₀模的磁場與TM₀₁模的磁場方向一致。根據波導傳輸耦合原理，在圓波導中心適當部位選擇截面縫隙作為扼流槽，即為轉動部位。槽寬約為0-01λ，高度與長度約為λ/4，λ是工作波長。

圓波導中的TM₀₁模不是其最低模式，還有TE₁₁模與他可以同時存在，所以我們要設法抑制矩形波導TE₁₀模激勵出圓波導中的TE₁₁模。抑制方法是可以在關節的兩端各加一個短路圓筒，選取短路圓筒的直徑D₁稍小于D2。根據TE₁₁模與TM₀₁模在短路圓筒中各有不同的波導波長，可以選取短路圓筒的長度L1滿足以下關系式：

當選取尺寸后，將圓筒串聯接于矩形波導與圓形波導構成的主線上，則34λg(TE₁₁)的短路線的輸入阻抗為無窮大， 12λg(TM₀₁)短路線的輸入阻抗為零，因此可將TE₁₁模反射，讓TM₀₁模通過，從而起到了抑制TE₁₁模的作用。

為了抑制與TM₀₁模最鄰近的高次模TE21模，我們還要對圓波導的直徑D2有所限制，使他滿足以下關系式：

這樣，一個波導式旋轉關節各部位的尺寸就可以初步選定。以選定的尺寸通過使用高頻仿真軟件進行仿真計算，調整選取適當的尺寸經改變圓波導與標準矩形波導加入階梯式過渡段，調整耦合孔徑大小及位置，便可計算獲得滿足或高于工程所提技術指標要求。

需要注意的是與圓波導連接的矩形波導的尺寸，以及他的端口距關節中心的距離的選取，對于改善關節的駐波與增加帶寬十分重要，設計時應多加觀察。

2 仿真結果

TM₀₁模波導耦合式旋轉關節相對帶寬為4%時仿真設計的結果如下：

仿真設計關節的結構形式如圖2所示，設置其端口輸入的功率為1 MW，所得到的關節內部場強分布如圖3所示，端口駐波曲線如圖4所示，插入損耗曲線如圖5所示。

3 結果分析

3.1 加工誤差分析

在仿真關節的關鍵部位，改變耦合孔尺寸，考慮加工

耦合孔確保精度較難，故對孔尺寸稍作改變，增加或減小0-2～0-4 mm。觀察計算結果變化僅在-27±1 dB范圍以內。這表明加工誤差在允許范圍內， 對其性能影響不大。

3.2 仿真與實物結果分析

仿真確定關節尺寸，加工成實物后，則對其實物進行性能測試，實測結果反射損耗曲線見圖6，插入損耗曲線如圖7所示。在相對帶寬8.1%的范圍內，實測結果與仿真結果十分吻合。

4 結 語

由這種方法設計出的旋轉關節，在仿真計算上比較容易建立起模型，而且用仿真軟件可以方便地求得關節兩端口間的夾角分別在任意角度的各項性能參數，從而設計出具有耐高功率，相位穩定和低損耗特點的波導旋轉關節。通過使用ANSOFT公司的HFSS軟件對用上述方法設計出的波導旋轉關節進行仿真計算后，根據仿真尺寸所加工出的實物，對其測試后所得數據與仿真所得數據基本一致，滿足工程需要。

參考文獻

［1］顧瑞龍.微波技術與天線[J].北京:國防工業出版社，1983.

［2］劉學觀.微波技術與天線[M].西安:西安電子科技大學出版社，1993.

作者簡介

尹鵬飛 男，2003年畢業于西安電子科技大學。現研究方向為微波與天線技術。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”