一种无焊缝软圆波导仿真与测试

梁铁柱，黄文华，朱四桃，房金鹏，江 红，邓广淑，王 颖，李佳伟

（1.高功率微波技术重点实验室，西安710024；2.西北核技术研究所，西安710024；3.零八一集团华昌电子有限公司，广元628000）

一种无焊缝软圆波导仿真与测试

梁铁柱1，2，黄文华1，2，朱四桃1，2，房金鹏1，2，江 红3，邓广淑3，王 颖1，2，李佳伟1，2

（1.高功率微波技术重点实验室，西安710024；2.西北核技术研究所，西安710024；3.零八一集团华昌电子有限公司，广元628000）

采用光壁铜管直接压制的方法，研制了一种高功率微波无焊缝软圆波导，作为高功率微波源与发射平台之间的软连接馈线器件。仿真和测试结果表明，在满足端面二维方向移动范围大于5mm的要求下，该软圆波导的微波传输电压驻波系数小于1.1，传输圆波导TE11模和TM01模的模式畸变率均小于0.1dB，插入损耗小于0.15dB，功率容量大于3GW，满足高功率微波传输发射系统应用要求。

高功率微波；功率容量；软圆波导；插入损耗

高功率微波源与发射平台之间的连接馈线主要由直波导、模式转换器和喇叭馈源［1-3］组成。现有馈线之间的连接多为硬连接，存在的主要问题有：1）馈线连接器件之间的应力无法消除；2）发射平台的振动容易传导至馈线和微波源产生器件，导致系统真空下降，微波传输馈线损坏及微波不稳定；3）微波源和平台车对接困难。因此，如何将馈线之间的连接由硬连接变为软连接，是现有高功率微波传输发射系统亟待解决的一个问题。

1 圆波导软连接形式简介

圆波导软连接形式多样［4-6］，波纹软波导是其中主要连接形式之一。波纹软波导通常有3种形式：互锁型螺旋圆软波导、铜带焊接成圆管的螺旋式软波导和无焊缝光壁铜管成型的软圆波导［7］。互锁型螺旋圆软波导如图1所示，它具有良好的弯曲性能，能够传输圆波导TE11模和TM01模。但在互锁处结构不平滑，功率容量低，真空密封性能差。因此，互锁型螺旋圆软波导不满足高功率微波传输反射应用需求。

铜带焊接成圆管的螺旋式软波导如图2所示。该软波导具有优良的机械弯曲性能和微波传输性能，但由于焊接处不均匀，同样存在功率容量低和真空密封性差等缺点。

无焊缝光壁铜管成型的软圆波导如图3所示。该软圆波导采用铜管直接压制，不存在焊缝，功率容量相对较高，真空密封性相对较好，机械性能可满足高功率微波传输发射系统软连接要求。因此，本文以无焊缝软圆波导为研究对象，对其传输性能和功率容量进行了仿真和测试。

2 微波传输性能仿真

常用高功率微波圆波导直径为50mm，工作频率为X波段，中心频率为9.7GHz，带宽为100MHz，能够传输TE11、TM01、TE21、TE01和TM21等5个模式。只要有结构上的不连续，就有可能微弱地激化出高次模TM01、TE21、TE01和TM21。这种微弱的激化称为模式畸变。

当波纹软圆波导传播TE11模时，TE11模有可能微弱地畸变。当传播TM01模时，TM01模也有可能微弱地畸变，并在轴向具有微弱的场变化时，可能出现TE21模和TM21模。从工程应用角度考虑，微弱的畸变应控制在可接受范围内。

无焊缝软圆波导采用正弦曲线结构，其纹深t和截距τ在满足微波传输性能的条件下经过优化为

采用全波仿真软件计算长度为200mm的无焊缝软圆波导的传输参数，仿真模型如图4所示。在无弯折状态下，长度为200mm的无焊缝软圆波导的传输系数S21随频率f的变化如图5所示。由图5可见，水平极化TE11模和TM01模的插入损耗（－lgS21）均小于0.02dB，表明在无弯折状态下，无焊缝软圆波导不会影响微波TE11模和TM01模的传输。

长度为200mm无焊缝软圆波导两端口端面轴向距离相差5mm，即均匀弯折5mm状态下的传输系数S21随频率的变化关系如图6所示。由图6可见，水平极化模TE11模（TE‖11）、垂直极化TE11模（TE⊥11）和TM01模的插入损耗（－lgS21）均小于0.05dB。

此外，还计算得到长度为400mm的无焊缝软圆波导均匀弯折10mm和长度为600mm的无焊缝软圆波导均匀弯折20mm时，TE11模和TM01模的插入损耗（－lgS21）均小于0.1dB。因此，认为无焊缝软圆波导在正常状态（无弯折）和二维方向适度均匀弯折的情况下，对高功率微波TE11模和TM01模的传输影响均较小，满足高功率微波传输要求。

3 场分布仿真

图7和图8分别是长度为200mm无焊缝软圆波导在无弯折状态下，传输垂直极化TE11模和TM01模的场分布剖面图。由图7和图8可知，馈入功率为0.5W，无焊缝软圆波导传输TE11模和TM01的最大场强分别为663V·m－1和478V·m－1。

图9和图10分别是长度为200mm的无焊缝软圆波导，在均匀弯折5mm状态下传输垂直极化TE11模和TM01模的场分布剖面图。

由图9和图10可知，传输功率为1WTE11模的最大场强为1 236V·m－1；传输功率为1WTM01模的最大场强为1 143V·m－1。该软圆波导由于弯折引起的TE11模和TM01模场增强因子分别为1.3和1.8。

综合上述场分布仿真结果，可以推算出无焊缝软圆波导在传输功率为3GW时，传输TE11模和TM01模的最高场强为610kV·cm－1。根据现有实验结果，在高真空情况下，金属射频击穿场强阈值为650kV·cm－1。因此，无焊缝软圆波导可满足3GW功率容量要求。

4 传输性能测试

4.1 测试方法

在传输信号为毫瓦量级的连续波情况下，测试无焊缝软圆波导的端口电压驻波系数、传输系数S21和TE11模、TM01模的模式畸变率。

微波频率在9.7GHz±50MHz范围内，采用图11所示的实验装置进行测量。

首先，在没有无焊缝软圆波导的情况下，调节调配器，使矢量网络分析仪测量的驻波系数小于1.02。然后，将无焊缝软圆波导接入图11所示的测量系统，测量软圆波导传输TE11模或TM01模的电压驻波系数。

软圆波导的S21和模式畸变率测量系统，如图12所示。

其测量步骤为

1）矢网调整至规定的频率范围9.7GHz± 50MHz内，系统处于正常的驻波系数测量状态；

2）采用圆波导TE11模激励器，BB移至AA，调整调配器，使系统的驻波系数小于1.02；

3）采用带SMA负载，系统处于测量功率状态。旋转带SMA负载，寻找圆波导TE11模的最大值，记下功率P1，dBm。接入无焊缝软圆波导，BB移至图12所示位置。旋转带SMA负载，寻找TE11模的最大值，记下功率P2，dBm，同时寻找次大值，记下功率P3，dBm。软圆波导传输TE11模的S21为

软圆波导TE11模的模式畸变率为

4）模式激励器采用圆波导TM01模激励器，BB移至AA，调整调配器，使系统的驻波系数小于1.02；

5）采用带SMA负载，使系统处于测量功率状态。旋转带SMA负载，每30°角测试一个功率电平值Pi，共记录12个Pi，按式（4）计算功率平均值

6）接入无焊缝软圆波导，系统还原到图12所示状态，重复步骤6），按式（6）计算功率平均值

7）无焊缝软圆波导TM01模的S21为

无焊缝软圆波导TM01模的模式畸变率为

4.2 性能测试结果

加工完成的长度为200mm的无焊缝软圆波导如图13所示，其微波传输性能测试结果分别如图14和图15所示。

测试结果表明，无焊缝软圆波导的驻波系数小于1.1，传输圆波导TE11模和TM01模的模式畸变率均小于0.1dB；插入损耗小于0.15dB，满足现有高功率微波传输发射系统对波导软连接的需求。

［1］梁铁柱，黄文华，田唯仁，等.高功率容量波束波导设计与模拟研究［C］／／全国微波与毫米波会议论文集（上册），上海，2011：1 573 1 576.（LIANG Tie－zhu，HUANG Wen－hua，TIAN Wei－ren，et al.Design and simulation of high power microwave beam waveguide［C］／／Microwave and Millimeter Wave Conference，2011：1 573 1 576.）

［2］王世禄，鲍成，谢继东.反射面天线散焦特性研究［J］.微波学报，2002，18（4）：52 56.（WANG Shi－lu，BAO Cheng，XIE Ji－dong.Study on defocused characteristics of reflector antennas［J］.Journal of Microwaves，2002，18（4）：52 56.）

［3］李欣，禹旭敏，李燕.一种大功率宽带毫米波滤波器［J］.微波学报，2012，28（增刊2）：218 220.（LI Xin，YU Xu－min，LI Yan.Design of high power wide－band millimeter waveguide filter［J］.Journal of Microwaves，2012，28（S2）：218 220.）

［4］黄志洵，王晓金.微波传输线理论与实用技术［M］.北京：科学出版社，1996：359 377.（HUANG Zhi－xun，WANG Xiao－jin.The Theory and Technology of Microwave Transmission Line［M］.Beijing：Science Press，1996：359 377.）

［5］陈明珠，郭泉.双脊软波导额定平均功率的讨论［J］.光纤与电缆及其应用技术，1997（6）：18 21.（CHEN Ming－zhu，GUO Quan.Discussion on the rated average power of double ridged corrugated waveguide［J］.Optical Fiber ＆Electric Cable and Their Applications，1997（6）：18 21.）

［6］王辉，梁云.提高软波导抗力学性能的方法研究［J］.空间电子技术，2014（3）：40 42.（WANG Hui，LIANG Yun.Investigation of ways to improve the vibration resistance of soft－waveguide［J］.Space Electronic Technology，2014（3）：40 42.）

［7］薛人炜，薛耀明，郁伯英.大功率矩形软波导的研制［J］.光纤与电缆及其应用技术，2005（6）：18 20.（XUE Ren－wei，XUE Yao－ming，YU Bo－ying.High power flexible rectangular waveguide［J］.Optical Fiber ＆Electric Cable and Their Applications，2005（6）：18 20.）

Simulation and Test of a Corrugated Flexible Circular Waveguide Without a Soldering Slot

LIANG Tie－zhu1，2，HUANG Wen－hua1，2，ZHU Si－tao1，2，FANG Jin－peng1，2，JIANG Hong3，DENG Guang－shu3，WANG Ying1，2，LI Jia－wei1，2
（1.Science and Technology on High Power Microwave Laboratory，Xi'an 710024，China；2.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China；3.Huachang Electronic Ltd of 081Group，Guangyuan 628000，China）

A corrugated flexible circular waveguide was fabricated to link the HPM source and the transmission system.The simulation and test on the performance of the waveguide shows that，with the shift range of 5mm，the waveguide has a power capacity more than 3 GW，an insertion loss less than 0.15dB，and a VSWR lower than 1.1.For TE11and TM01mode，the mode aberration is less than 0.1dB.The fabricated waveguide satisfies the requirements for the HPM transmission system.

high power microwave；power capacity；corrugated flexible waveguide；insertion loss

TN814

A

2095 6223（2015）03 197 05

2015 05 05；

2015 07 16

梁铁柱（1981－），河南睢县人，助理研究员，硕士，主要从事高功率微波传输与发射技术研究。

E－mail：liangtiezhu＠nint.ac.cn