一種新型的同軸波導電纜組件的研制

張翠

一種新型的同軸波導電纜組件的研制

張翠

本文介紹了一種高性能波導電纜組件的設計及HFSS仿真。詳細闡述將電纜內導體直接插入同軸諧振腔內進行調配,通過調節短路活塞在波導諧振腔內的位置和λ0/4同軸調諧器在同軸諧振腔內的位置,可實現小電壓駐波比、低損耗、結構穩定可靠等優異的技術性能,并給出了實測數據。

組件的結構

同軸波導電纜組件是由兩個波導電纜接頭和同軸電纜耦合組成，其結構如圖1所示。波導電纜接頭是由同軸諧振腔、短路活塞、λ0/4同軸調諧器和波導諧振腔等組成，其結構如圖2所示。

圖1 同軸波導電纜組件的結構

圖2 波導電纜接頭的結構

特性阻抗匹配和模式轉換

由于設計的波導是單模傳輸的,所有高次模都被截止，只有TE10模傳輸。電纜內導體TEM模的場具有儲能特性,它們同波導工作模式TE10進行能量耦合,相當于在電纜內導體處給矩形波導引入了一個電抗(或電納) 分量,通過調整電纜內導體在同軸諧振腔里的位置(即改變λ0/4同軸調諧器在同軸諧振腔里的位置) 和改變短路活塞在波導諧振腔里的位置,使電磁能量全部進入波導諧振腔內,消除反射波,實現同軸電纜TEM模與波導TE10模之間的轉換。

λ0/4同軸調諧器

λ0/4同軸調諧器一端短路,另一端開路，它的工作模式是TEM波，具有場結構穩定、頻帶寬等特點。調節λ0/4同軸調諧器在同軸諧振腔內的位置,即調節λ0/4同軸調諧器的長度,以激勵起TEM 模后,電磁波在腔中來回反射形成駐波。λ0/4同軸調諧器的長度l =λ0(2n-1)/4 ,其中n =1，2 ,3 ,......。當n=1時,λ0=4l，為最低次振蕩模式的諧振波長,它不是唯一的,可以周期性地出現。可見，改變λ0/4同軸調諧器在同軸諧振腔的位置就可以改變諧振波長。λ0/4同軸調諧器內徑D和電纜內導體直徑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因數Q0值,其Q0值為:

式中l為λ0/4同軸調諧器在同軸諧振腔里的位置長度,是λ0/4的奇數倍；D為λ0/ 4 同軸調諧器內徑；d為同軸電纜內導體直徑；λ0為自由空間的波長；δ為趨膚深度。

當D/d=3.6時,Q0值最大,實際上在2.5 ≤D/d≤6之間變動時,Q0值變化不大。為了避免產生高次模,應滿足π( D + d)/ 2 <λ0。根據計算和實踐經驗,λ0/4同軸調諧器的D/d =4 時為最佳。

建模和仿真

由于受加工質量、裝配、調試等多道工序的影響,實際產品的調試結果是有差異的。為了提高設計可行性，縮短試制周期,提高設計效率,我們利用Ansoft HFSS軟件建立三維模型進行高頻性能的優化，如圖3所示。

根據建立的模型,對理論計算的近似尺寸進行仿真并調整。VSWR仿真結果如圖4所示,VSWR是以波腹、波節相間的波形分布的,在節、腹之間作余弦變化,可見該曲線是比較理想的。

圖3 仿真三維模型

圖4 仿真結果

實驗結果

同軸波導電纜組件的測試結果如表1所示,此組件具有低損耗、小電壓駐波比和穩定性好的特點,且VSWR優于俄羅斯同類產品。

此同軸波導電纜組件具有損耗小、電壓駐波比小、結構穩定可靠和電纜柔軟的特點。該組件工藝成熟，已批量生產和在實際中應用。該產品的研制對相同系列不同頻段產品的開發具有借鑒作用。

（作者單位：西安艾力特電子實業有限公司）