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(xiàn)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(jù)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(huán)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(chǎn)生交變的電場或者磁場，由激勵方式?jīng)Q定。本文設計的端射式波導同軸變換器，選用小環(huán)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(huán)型天線，激發(fā)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(chǎn)生。

4 電訊設計及性能優(yōu)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(xiàn)優(yōu)良性能，該形式在帶寬和小駐波方面很有優(yōu)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(guī)定傳輸頻段內，不存在高次模，不需要外加匹配就能實現(xiàn)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(fā)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(xiàn)平穩(wěn)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(jīng)過適當優(yōu)化，實現(xiàn)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(tǒng)的設計方法是不同的。傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(qū)域空間，通過計算機仿真優(yōu)化即可實現(xiàn)。

5 實驗驗證

根據(jù)理論計算和仿真優(yōu)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(xiàn)駐波小于1.2，兩只變換器對接損耗優(yōu)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(xiàn)方法是可行的，優(yōu)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(xiàn)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。

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