一种紧凑的圆波导TE01模式激励器

陈海涛 章志广 刘 欢

(武汉船舶通信研究所 武汉 430205)



一种紧凑的圆波导TE01模式激励器

陈海涛 章志广 刘 欢

(武汉船舶通信研究所 武汉 430205)

提出了一种基于微带结构的K波段圆波导TE01模式的激励器。该激励器由四个微带贴片单元环形排列组成,通过设计合理的馈电网络实现TE01模式的辐射。运用HFSS电磁仿真工具分析了该激励器在圆波导中对TE01模式电磁波的激励情况,并设计了一个微波传输损耗测量实验来验证TE01模式激励的有效性。

圆波导; TE01模式; 激励器天线

Class Number TN82

1 引言

圆波导中的TE01模式具有传播损耗随频率增加而减小的特性[1～5],这一特性使得TE01模式在远距离传输方面具有独特的优势[6～8]。然而TE01模式不是圆波导中的基模,除最低阶的TE11模式之外,在TE01模式之前,还存在TM01、TE21以及TM11几个高阶模式,这给TE01模式的有效激励带来了困难。文献[9]中提出了一种圆波导中TE01模式的激励装置,该激励装置由四个矩形波导,以90°的间隔环形均布,对圆波导进行馈电。该激励装置具有较高的TE01模式激励效率,但基于矩形波导的结构较为笨重,而且需要在圆波导管壁上开槽,不便于在圆波导管内部使用。本文提出一种基于微带结构的TE01模式激励器[10],该激励器放置在圆波导内部,不需要对管壁开孔,适合于各种管道设施内部的微波信号传输。

2 工作原理

设计的TE01微带激励器如图1所示。该激励器为四单元环形微带天线阵,由四个微带贴片天线单元以及相应的微带线组成,可看作是将其中一个天线单元及微带线沿法向分别旋转90°、180°和270°后构成。微带天线单元采用辐射边馈电方式,通过调整天线的宽度W,使天线的输入电阻接近200Ω。微带线的特性阻抗为200Ω,四个微带线并联后可获得50Ω的阻抗,与馈电所用的同轴电缆匹配。

图1 TE01微带激励器示意图

每个天线单元所激励的电场极化方向为沿天线的谐振边L方向,在法向方向观察,四个天线所激励的电场将构成环形,而在中轴线上,电场将相互抵消,这正是圆波导中TE01模式的电场分布特性。将这样一个四单元环形微带天线阵放置在圆波导管的中心位置,法线方向与波导管的轴向重合,将可以在圆波导管中有效激励起TE01模式的电磁波。

3 设计实例

设计了一副工作在K波段的圆波导TE01模式激励器,中心频率为19.6GHz。采用HFSS软件对微带贴片天线及馈线尺寸进行了优化,优化后的设计参数如表1所示。

表1 TE01微带激励器设计参数

表中wf为微带线的宽度,h为基片厚度,εr为基片介电常数。

图2 圆波导TE01模微带激励器样品

在仿真设计的基础上,制作了圆波导TE01模式微带激励器的样品,如图2所示。该样机S11参数的仿真及测试结果如图3所示。图4给出了该激励器放置在圆波导管中所激励的电场。可以明显看出,该激励器所产生的电磁波满足TE01模式的分布特性。

图3 圆波导TE01模微带激励器S21参数仿真及测试结果

图4 激励器在圆波导中所激励的电场

4 试验验证

该激励器在圆波导管中激励的电磁波模式难以直观地观测。为了证明TE01模式在波导管内被有效激励,本文设计了一个微波传输衰减测量实验,利用TE01模式的低衰减率特性来验证该激励器天线对TE01模激励的有效性[11]。微波传输衰减测量试验简图和现场如图5和图6所示。

图5 微波传输衰减测量试验简图

根据圆波导理论,当频率远高于截止频率时,TE01模式的衰减要远小于主模TE11模式。通过对比测试使用TE01模式激励器和TE11模式激励器时波导管的传输损耗的差异,可以间接验证TE01模式是否被有效地激励。

选取的微波传输损耗较大的钢管作为试验用波导管,内径为50mm,长为50m。根据钢管管材的电导率和磁导率,估算出19.6GHz频率上TE11模式的衰减约为0.6dB/m,TE01模式的衰减约为0.15dB/m。制作了两个对称振子天线,用作实验中的TE11模式的激励器。

实验中发射端所用信号源为AV4161信号发生器,接收端所用频谱分析仪为MS2687B频谱分析仪,实验数据如下:采用TE11模式激励器时,收发天线之间总的损耗为32dB,采用TE01模式激励器时,收发天线之间总的损耗为10dB。显然采用TE01模式激励器时钢管的传播衰减要远小于TE11模式激励器。根据圆波导理论,在19.6GHz频率上,波导管内可能存在的几个模式中,只有TE01模式的衰减常数是小于TE11模式的,这就证明了采用本文提出的微带天线激励器,的确在波导管中激励起了TE01模式的电磁波。

5 结语

提出了一种微带天线形式的圆波导TE01模式激励器,具有结构紧凑,便于与射频电路集成的优点,可用作管道内部微波毫米波传输的收发天线。

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A Compact TE01Mode Exciter for Circular Waveguide

CHEN Haitao ZHANG Zhiguang LIU Huan

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430205)

A K-band TE01mode exciter for circular waveguide was proposed based on microstrip structure. This exciter was composed of four microstrip patches which were arranged circularly. With appropriate feed network, the exciter can radiate TE01mode electromagnetic wave in circular waveguide. The electromagnetic simulation soft HFSS is used to analyze the characteristic of the exciter set in circular waveguide. The existence of the TE01mode was validated by an experiment which was designed to measure the transmission loss in a steel pipe fed by the exciter.

circular waveguide, TE01mode, excitation antenna

2015年1月10日,

2015年3月3日 作者简介:陈海涛,男,博士,高级工程师,研究方向:电磁场与天线技术。章志广,男,硕士,工程师,研究方向:天线技术。刘欢,女,硕士,工程师,研究方向:通信系统。

TN82

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.046