一種新型的同軸波導(dǎo)電纜組件的研制

張翠

一種新型的同軸波導(dǎo)電纜組件的研制

張翠

本文介紹了一種高性能波導(dǎo)電纜組件的設(shè)計(jì)及HFSS仿真。詳細(xì)闡述將電纜內(nèi)導(dǎo)體直接插入同軸諧振腔內(nèi)進(jìn)行調(diào)配,通過(guò)調(diào)節(jié)短路活塞在波導(dǎo)諧振腔內(nèi)的位置和λ0/4同軸調(diào)諧器在同軸諧振腔內(nèi)的位置,可實(shí)現(xiàn)小電壓駐波比、低損耗、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠等優(yōu)異的技術(shù)性能,并給出了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

組件的結(jié)構(gòu)

同軸波導(dǎo)電纜組件是由兩個(gè)波導(dǎo)電纜接頭和同軸電纜耦合組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。波導(dǎo)電纜接頭是由同軸諧振腔、短路活塞、λ0/4同軸調(diào)諧器和波導(dǎo)諧振腔等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 同軸波導(dǎo)電纜組件的結(jié)構(gòu)

圖2 波導(dǎo)電纜接頭的結(jié)構(gòu)

特性阻抗匹配和模式轉(zhuǎn)換

由于設(shè)計(jì)的波導(dǎo)是單模傳輸?shù)?所有高次模都被截止，只有TE10模傳輸。電纜內(nèi)導(dǎo)體TEM模的場(chǎng)具有儲(chǔ)能特性,它們同波導(dǎo)工作模式TE10進(jìn)行能量耦合,相當(dāng)于在電纜內(nèi)導(dǎo)體處給矩形波導(dǎo)引入了一個(gè)電抗(或電納) 分量,通過(guò)調(diào)整電纜內(nèi)導(dǎo)體在同軸諧振腔里的位置(即改變?chǔ)?/4同軸調(diào)諧器在同軸諧振腔里的位置) 和改變短路活塞在波導(dǎo)諧振腔里的位置,使電磁能量全部進(jìn)入波導(dǎo)諧振腔內(nèi),消除反射波,實(shí)現(xiàn)同軸電纜TEM模與波導(dǎo)TE10模之間的轉(zhuǎn)換。

λ0/4同軸調(diào)諧器

λ0/4同軸調(diào)諧器一端短路,另一端開(kāi)路，它的工作模式是TEM波，具有場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、頻帶寬等特點(diǎn)。調(diào)節(jié)λ0/4同軸調(diào)諧器在同軸諧振腔內(nèi)的位置,即調(diào)節(jié)λ0/4同軸調(diào)諧器的長(zhǎng)度,以激勵(lì)起TEM 模后,電磁波在腔中來(lái)回反射形成駐波。λ0/4同軸調(diào)諧器的長(zhǎng)度l =λ0(2n-1)/4 ,其中n =1，2 ,3 ,......。當(dāng)n=1時(shí),λ0=4l，為最低次振蕩模式的諧振波長(zhǎng),它不是唯一的,可以周期性地出現(xiàn)。可見(jiàn)，改變?chǔ)?/4同軸調(diào)諧器在同軸諧振腔的位置就可以改變諧振波長(zhǎng)。λ0/4同軸調(diào)諧器內(nèi)徑D和電纜內(nèi)導(dǎo)體直徑d的選擇必須保證同軸諧振腔只能有TE10模傳輸,且要有較高的空載品質(zhì)因數(shù)Q0值,其Q0值為:

式中l(wèi)為λ0/4同軸調(diào)諧器在同軸諧振腔里的位置長(zhǎng)度,是λ0/4的奇數(shù)倍；D為λ0/ 4 同軸調(diào)諧器內(nèi)徑；d為同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體直徑；λ0為自由空間的波長(zhǎng)；δ為趨膚深度。

當(dāng)D/d=3.6時(shí),Q0值最大,實(shí)際上在2.5 ≤D/d≤6之間變動(dòng)時(shí),Q0值變化不大。為了避免產(chǎn)生高次模,應(yīng)滿足π( D + d)/ 2 <λ0。根據(jù)計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),λ0/4同軸調(diào)諧器的D/d =4 時(shí)為最佳。

建模和仿真

由于受加工質(zhì)量、裝配、調(diào)試等多道工序的影響,實(shí)際產(chǎn)品的調(diào)試結(jié)果是有差異的。為了提高設(shè)計(jì)可行性，縮短試制周期,提高設(shè)計(jì)效率,我們利用Ansoft HFSS軟件建立三維模型進(jìn)行高頻性能的優(yōu)化，如圖3所示。

根據(jù)建立的模型,對(duì)理論計(jì)算的近似尺寸進(jìn)行仿真并調(diào)整。VSWR仿真結(jié)果如圖4所示,VSWR是以波腹、波節(jié)相間的波形分布的,在節(jié)、腹之間作余弦變化,可見(jiàn)該曲線是比較理想的。

圖3 仿真三維模型

圖4 仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

同軸波導(dǎo)電纜組件的測(cè)試結(jié)果如表1所示,此組件具有低損耗、小電壓駐波比和穩(wěn)定性好的特點(diǎn),且VSWR優(yōu)于俄羅斯同類產(chǎn)品。

此同軸波導(dǎo)電纜組件具有損耗小、電壓駐波比小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠和電纜柔軟的特點(diǎn)。該組件工藝成熟，已批量生產(chǎn)和在實(shí)際中應(yīng)用。該產(chǎn)品的研制對(duì)相同系列不同頻段產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有借鑒作用。

（作者單位：西安艾力特電子實(shí)業(yè)有限公司）