一種X波段同軸-扁波導變換器的設計

劉少輝

(華東電子工程研究所 合肥 230088)

1 引言

同軸波導變換器用來實現同軸傳輸線與波導傳輸線之間的微波模式變換及能量傳輸，一般的同軸波導變換器所用波導均為標準波導，而本文闡述的同軸-扁波導變換器，根據工程需要，波導部分選用的是非標準扁波導，波導口徑為63.5mm×10.16mm(注:X波段的標準波導口徑為22.86mm×10.16mm)，在X波段，該口徑波導甚至可以傳輸最高TE30高次模，因此該同軸-扁波導變換器的難點就在于高次模的抑制。

2 基本原理

同軸波導變換器的原理大同小異，一般兩種情況:第一種是探針電激勵，第二種是小環磁激勵。激勵的結果都是在波導的主模電磁場分布的相應位置產生交變的電場或者磁場，由激勵方式決定。本文設計的端射式波導同軸變換器，選用小環磁激勵。圖1所示，同軸線內導體在波導內部與波導寬面采用階梯塊連接，外導體在端面與波導外殼連接，相當于形成了一個小的環型天線，激發起波導傳輸線主模式TE10對應的交變磁場。

圖1 內部結構示意圖

3 模式分析

該變換器使用的波導口徑尺寸為63.5mm×10.16mm，由截止頻率計算公式，得到最初的幾個模式截止頻率見表1。

表1 扁波導模式及對應截止頻率

表1可見，所選波導口徑除傳輸TE10主模外，還可傳輸TE20、TE30模式，因此，要想方設法抑制高次模式在波導中的傳輸，或者在模式耦合時就抑制其產生。

4 電訊設計及性能優化

4.1 耦合形式

同軸線內導體與波導寬面之間采用階梯形連接形式，利用階梯漸變阻抗過渡，實現優良性能，該形式在帶寬和小駐波方面很有優勢。

4.2 梯形匹配塊及高次模抑制

圖2 加載梯形匹配塊之前，電場分布圖

對標準波導，在規定傳輸頻段內，不存在高次模，不需要外加匹配就能實現單模傳輸。而對本文采用的非標準波導形式，因為TE20、TE30模式的存在，若無其他匹配措施，則耦合時激發的模式混亂，主模能量損失較大，中心頻率點電場分布見圖2所示。實際工程設計中，本著模式漸變的思想，在耦合段增加了兩個金屬梯形匹配塊，以求實現平穩的模式耦合過渡，達到抑制高次模的目的。通過該兩塊金屬梯形匹配塊，針對微波交變磁場分布特點，對高次模式的磁場分布進行波形壓縮，使磁場趨于主模分布，并經過適當優化，實現了預想的性能，中心頻率點電場分布見圖3所示。

對于同軸-扁波導變換器，本文所述的漸變壓縮磁場分布的設計思想，與傳統的設計方法是不同的。傳統的設計是先從同軸線過渡到標準波導，然后再通過梯形波導過渡到非標準扁波導，兩個變換的過程是分離的，其中，梯形過渡波導部分會使變換器的長度顯著增加，見圖5。而本文的設計思想及設計結果卻能有效減小變換器的長度，在9.3～10.9GHz頻帶內，駐波小于1.2，相對帶寬為15.8%，器件長度僅為50mm。而對于一種同頻段、同樣接口形式、指標相近的傳統設計形式的端射式同軸-扁波導變換器，其器件長度為135mm。對比可見，本文設計形式新穎，較傳統設計方法，使得同軸-扁波導變換器的長度有效降低。

圖5 同軸-扁波導變換器的傳統設計思路結構示意圖(俯視圖)

圖7 損耗曲線(2只對接測試)

4.3 其他問題

同軸連接器內導體與階梯塊之間的連接需考慮電容補償，波導端口注意預留耦合區域空間，通過計算機仿真優化即可實現。

5 實驗驗證

根據理論計算和仿真優化結果，加工了樣件。對樣件進行測試，并對梯形匹配塊稍作調整，得到了良好的實驗結果，如圖6、圖7所示，在1.6GHz的帶寬內可實現駐波小于1.2，兩只變換器對接損耗優于－0.36dB，與仿真結果也比較吻合。實驗證明，在扁波導情況下，本文闡述的漸變壓縮磁場分布的思路和實現方法是可行的，優點在于改善了器件性能，能有效減小器件的長度。

圖6 駐波曲線

6 結語

本文設計的同軸-扁波導變換器，同軸線模式向波導模式轉換的同時，通過加載梯形匹配塊實現對高次模式的抑制，取得了良好的效果，在保證器件性能的同時，使器件的長度有效降低，有利于滿足某些小型化工程的需要。目前，該設計已成功申請實用新型專利，專利號ZL200820039444.6。

[1]顧繼慧.微波技術[M].科學出版社，2004.

[2]Manohar D.Deshpande，B.N.DAS，and Gitindra S.Sanyal.Analysis of an End Launcher for an X-Band Rectangular Waveguide[J].IEEE，MTT-27，1979，(8):731 －735.

[3]王潔，崔敏，雷國忠.小型氣密矩形波導-同軸轉換器的研制[J].火控雷達技術，2009，38(2):93－96.