Ku波段宽带波导旋转关节设计

陈续战 杨睿萍 王风

摘要：波导旋转关节是机械式扫描雷达系统中的重要部件，它使得雷达在转动同时电磁波可以顺利传输，文章设计出一种Ku波段宽带波导旋转关节，给出了设计依据和设计方法，并进行仿真验证。经过参数优化后，在此基础上加工出关节实物，测试结果和仿真基本一致，带宽可达37%。

关键词：宽带波导旋转关节；Ku波段；切比雪夫阻抗变换

随着现代雷达的发展，高频和宽带是机械扫雷达两个重要的发展方向，同时也对旋转关节提出了宽带、多路等更高的要求。本文设计一种宽带Ku波段单路波导旋转关节，具有多路扩展性。圆波导过渡、探针式过渡、0 dB耦合器式过渡的设计形式只能用于单路关节设计，门扭式过渡的波导关节虽然具备扩展性，但带宽一般只能到15%左右。本文设计的关节采用波导一同轴一波导的设计形式，另外两路可以从同轴内芯穿过以及采用同軸耦合环式设计。为了获得更大的带宽，采用切比雪夫阻抗变换过渡，经过仿真验证，在满足设计指标的基础上，带宽可以达到37%。最终进行了实物加工，电性能各项测试指标达到预期。

1 原理分析

与矩形波导相比，在相同横截面尺寸的条件下，脊波导单模工作频带更宽，等效阻抗更低，因此采用脊波导作为矩形波导和同轴线之间的阻抗过渡。为了获取更大的带宽，采用多级变换[3]。本文中的关节采用基于切比雪夫阻抗变换的阶梯式阻抗过渡设计。即过渡段反射系数的模∣Γ∣在带宽内的分布规律按照n阶第一列切比雪夫函数来分布。切比雪夫阻抗变换器同其他变化器相比，在给定反射系数和总长度的条件下带宽最宽。

下面给出相关参数的设计流程。

1.1 确定同轴线外导体内径D和内导体外径d

至此，完成了关节中各参数的理论计算。然而，由于上述理论模型无法反映出不连续性，得到各项参数后需要通过仿真实验等方式进行反复调整，方能达到设计指标。

2 仿真设计

本次设计旋转关节的电气性能需满足以下条件：（1）带宽12.1?17.6 GHz；（2）电压驻波比1.6以内；（3）损耗小于 1.0 dB。

利用上述计算方法通过Matlab计算和Ansoft HFSS电性能仿真，经过反复调试参数得到具体参数如下：

使用Ansoft HFSS软件仿真结果如图2—3所示，其中图2为仿真建模结构，图3为对应的驻波和损耗曲线。

由仿真结果可以看出，在12.1?17.6 G范围内驻波满足小于1.6，插损满足小于1 dB的要求。证明了各项参数的可行性。

3 实物制作及测试

依照最终的仿真结构图设计出加工结构如图4所示，经过半年的实物加工过程，完成实物的制作工作，实物如图5所示。

接着，对关节实物通过矢量网络分析仪进行调试及测试，测试过程如图6所示。图7（a）和（b）分别给出了该关节驻波和损耗的实测结果。与图3的仿真结果相较，驻波特性曲线基本吻合，然而损耗曲线有一定的差距。一个可能的原因是加工工艺的不完善和难以避免的加工误差。实测结果表明各项指标均达到设计要求。

4 结语

本文设计一种Ku波段宽带波导旋转关节。在理论计算和仿真实验的基础上，加工出关节实物，实物电性能测试结果与仿真结果基本吻合。最终实物测试带宽可达37%，损耗0.6 dB，驻波1.6。通过从同轴内芯穿过以及采用同轴耦合环式设计，此关节可扩展为三路旋转关节。综上所述，该关节实物测试各项指标均达到设计要求。

[参考文献]

[1]闰润卿，李英惠.微波技术基础[M].4版.北京：北京理工大学出版社，1997.

[2]张德斌，周志鹏，朱兆麟.雷达馈线技术[M].北京：电子工业出版社，2010.

[3]程海荣.一种宽带多路旋转关节的设计[D].南京：东南大学，2009.

[4]刘濂.X波段双路旋转关节的设计及截顶椎体过渡的研究[J].现代雷达，1997（1）：61-65.