Ku波段寬帶波導旋轉關節設計

陳續戰 楊睿萍 王風

摘要：波導旋轉關節是機械式掃描雷達系統中的重要部件，它使得雷達在轉動同時電磁波可以順利傳輸，文章設計出一種Ku波段寬帶波導旋轉關節，給出了設計依據和設計方法，并進行仿真驗證。經過參數優化后，在此基礎上加工出關節實物，測試結果和仿真基本一致，帶寬可達37%。

關鍵詞：寬帶波導旋轉關節；Ku波段；切比雪夫阻抗變換

隨著現代雷達的發展，高頻和寬帶是機械掃雷達兩個重要的發展方向，同時也對旋轉關節提出了寬帶、多路等更高的要求。本文設計一種寬帶Ku波段單路波導旋轉關節，具有多路擴展性。圓波導過渡、探針式過渡、0 dB耦合器式過渡的設計形式只能用于單路關節設計，門扭式過渡的波導關節雖然具備擴展性，但帶寬一般只能到15%左右。本文設計的關節采用波導一同軸一波導的設計形式，另外兩路可以從同軸內芯穿過以及采用同軸耦合環式設計。為了獲得更大的帶寬，采用切比雪夫阻抗變換過渡，經過仿真驗證，在滿足設計指標的基礎上，帶寬可以達到37%。最終進行了實物加工，電性能各項測試指標達到預期。

1 原理分析

與矩形波導相比，在相同橫截面尺寸的條件下，脊波導單模工作頻帶更寬，等效阻抗更低，因此采用脊波導作為矩形波導和同軸線之間的阻抗過渡。為了獲取更大的帶寬，采用多級變換[3]。本文中的關節采用基于切比雪夫阻抗變換的階梯式阻抗過渡設計。即過渡段反射系數的模∣Γ∣在帶寬內的分布規律按照n階第一列切比雪夫函數來分布。切比雪夫阻抗變換器同其他變化器相比，在給定反射系數和總長度的條件下帶寬最寬。

下面給出相關參數的設計流程。

1.1 確定同軸線外導體內徑D和內導體外徑d

至此，完成了關節中各參數的理論計算。然而，由于上述理論模型無法反映出不連續性，得到各項參數后需要通過仿真實驗等方式進行反復調整，方能達到設計指標。

2 仿真設計

本次設計旋轉關節的電氣性能需滿足以下條件：（1）帶寬12.1?17.6 GHz；（2）電壓駐波比1.6以內；（3）損耗小于 1.0 dB。

利用上述計算方法通過Matlab計算和Ansoft HFSS電性能仿真，經過反復調試參數得到具體參數如下：

使用Ansoft HFSS軟件仿真結果如圖2—3所示，其中圖2為仿真建模結構，圖3為對應的駐波和損耗曲線。

由仿真結果可以看出，在12.1?17.6 G范圍內駐波滿足小于1.6，插損滿足小于1 dB的要求。證明了各項參數的可行性。

3 實物制作及測試

依照最終的仿真結構圖設計出加工結構如圖4所示，經過半年的實物加工過程，完成實物的制作工作，實物如圖5所示。

接著，對關節實物通過矢量網絡分析儀進行調試及測試，測試過程如圖6所示。圖7（a）和（b）分別給出了該關節駐波和損耗的實測結果。與圖3的仿真結果相較，駐波特性曲線基本吻合，然而損耗曲線有一定的差距。一個可能的原因是加工工藝的不完善和難以避免的加工誤差。實測結果表明各項指標均達到設計要求。

4 結語

本文設計一種Ku波段寬帶波導旋轉關節。在理論計算和仿真實驗的基礎上，加工出關節實物，實物電性能測試結果與仿真結果基本吻合。最終實物測試帶寬可達37%，損耗0.6 dB，駐波1.6。通過從同軸內芯穿過以及采用同軸耦合環式設計，此關節可擴展為三路旋轉關節。綜上所述，該關節實物測試各項指標均達到設計要求。

[參考文獻]

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[2]張德斌，周志鵬，朱兆麟.雷達饋線技術[M].北京：電子工業出版社，2010.

[3]程海榮.一種寬帶多路旋轉關節的設計[D].南京：東南大學，2009.

[4]劉濂.X波段雙路旋轉關節的設計及截頂椎體過渡的研究[J].現代雷達，1997（1）：61-65.