宽带单脊波导—同轴转换器的仿真设计

2021-06-18武欢欢

南方农机 2021年11期

武欢欢

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300）

0 引言

目前，同轴—波导转换接头通常采用直插式结构[1]，如图1(a)所示。原理是将同轴线的内导体延伸插入矩形波导腔内，插入腔体内的探针相当于一根天线，将同轴线传输的能量经探针头部辐射出去，在波导中激励起电磁场[2]。由于波导口的一端为短路板，电磁能量只能朝着波导的另一端口进行传输，所以传输方向性比较强，直插式的分析方法主要是模式匹配思想。为了使转换接头在一个较宽的频段范围内实现良好匹配，可通过调节探针的插入深度以及半径，也可通过将插入波导内的探针头部采用渐变的方法来实现展宽频带的目的，但不规则的探针形状会使得表面电流计算变得复杂，而且容易发生击穿。此外，这种直插式的结构输入端口与输出端口不在一条水平线上，不利于系统间的级联，结构不够紧凑。

本文设计采用图1(b)中所示的后馈式结构，其同轴线的输入端口与波导输出端口处于同一水平线上，有利于系统间的互连。设计采用同轴探针从矩形波导后壁插入波导腔体内的方式，在矩形波导中激励起电磁场；通过多节阶梯阻抗变换器来调节波导阻抗值，使矩形波导与同轴线阻抗值达到匹配，实现信号的较小损耗传输。文献[3]中介绍了一种7.5GHz～18 GHz的后馈式结构，但是其中部分通过微带线进行转换[4]，需要进行焊接，增加了加工制作的复杂度。本文采用的后馈式结构，不存在微带部分，只需经过简单的机械加工便可实现。矩形波导部分采用标准波导，通过在波导腔体内加入阶梯阻抗匹配器来达到匹配的效果，同轴部分采用SMA型接头。

1 同轴线到矩形波导的传输原理

由于同轴—波导转换器具有可逆性，即该元件用在发射方面信号由同轴输入，匹配对同轴线而言。反过来，如果把匹配好的元器件作为接收部分，信号由波导输入，结果仍然是匹配的。如图2所示，把矩形波导视为传输线，将匹配器件（三螺调配器或者切比雪夫阻抗变换器）视为阻抗匹配网络，同轴波导视为负载。即要想实现同轴到波导的过渡，必须引入阻抗变换网络，实现负载到源的匹配。

图2 同轴—波导转换原理图

2 宽带单脊波导—同轴转换器的仿真设计

采用HFSS软件进行仿真发现，将同轴线内导体与脊波导的端面接触后，其匹配程度较低。通过理论分析，认为产生这种情况的主要原因是同轴线与脊波导这两种结构的差异比较大，电磁波能量的传输无法快速地进行转换，以至于在两者的连接处出现较大的反射。通过大量仿真以及优化实验，在脊与同轴线内导体间采取非接触的方法，将同轴线内导体伸出的探针部分悬置在矩形波导中，再在矩形波导中采用切比雪夫阻抗变换器进行阻抗匹配，能够使电磁能量更好地从同轴线中传输到矩形波导中。

图3 单脊波导—同轴转换器仿真模型图

为了验证该设计思想，在HFSS中建立了如图3所示的仿真模型，其中同轴线的特性阻抗设置为50 Ω。在脊波导中，频率高端阻抗值低且变化缓慢，而低端的阻抗值高且变化较大[3]，采用同样节数的阻抗变换器，高端比低端更容易实现匹配。所以为了在整个频段内实现良好的匹配，应该选择低频端进行阻抗匹配设计。采用切比雪夫阻抗变换器，综合考虑阶梯总长度以及驻波比的要求，最终选取匹配枝节为3节。这种同轴—波导转换器的阻抗匹配是通过调节阶梯长度以及高度来进行匹配的。采用多台阶进行阻抗变换，具体设计参数如下所示：

第一台阶的高度为5 mm，长度为4.8 mm，宽为2 mm；第二台阶高为4.3 mm，长为3.2 mm，宽为2 mm；第三台阶高为2.9 mm，长为2.6 mm，宽为2 mm；激励探针的长度为3.2 mm，台阶距离同轴到波导的交接面处的距离为4 mm，矩形波导的长宽高分别是18 mm、15.8 mm、7.9 mm。

同轴—波导转换器的设计关键是台阶的尺寸以及同轴探针插入波导中的长度，设计时首先通过理论计算得出初始模型参数值，然后通过HFSS仿真软件进行优化调试使匹配达到最优，在参数优化以及调试中可以发现：调节台阶的高度、长度以及同轴探针的插入深度对匹配的影响较大。因此，可通过调节这些参数使匹配达到最优状态。产生这种现象的原因是：探针的插入深度会影响电磁波激励起场的位置，进而影响匹配；而阶梯的尺寸会改变矩形波导的阻抗值，使矩形波导阻抗值逐渐过渡到与同轴线阻抗值相等。仿真结果如图4所示，从图4(a)中可见在13.8 GHz～16.0 GHz频段范围内驻波比小于1.2；图4(b)的仿真数据可以得出S11＜-20 dB的带宽为14.2 GHz到16.1 GHz，S11＜-25 dB的带宽为14.5 GHz到15.8 GHz，带内平稳，波动小；其中，S22＜-20 dB的带宽为14.1 GHz到16.1 GHz，S22＜-25 dB的带宽为14.5 GHz到15.8 GHz；图4(c)为S21的仿真结果，其中，13.8 GHz～16.0 GHz频段范围内小于0.1 dB；调节阶梯的尺寸可改变器件的匹配程度，可通过观察Smith圆图中曲线的变化情况，了解同轴波导转换器中参数的变化对于整个同轴波导转换器阻抗匹配的影响，有利于器件的调试与设计，加快器件的匹配优化进程。

图4 单脊波导—同轴仿真结果

根据仿真得到的尺寸，用黄铜加工制作的同轴—波导转换接头，整个转换接头表面均采用镀金处理，如图5所示。输入端为SMA接头，输出端口为标准波导，整个转换接头的长度为28 mm。

图5 单脊波导—同轴转换器实物图

对加工制作完成的转换接头采用安捷伦矢量网络分析仪进行测试，测试中采用两个转换接头对接的方法测试端口的回波损耗。转换接头的测试结果如图6所示。将两个转换接头对接进行测试，结果显示，在整个工作频段范围内转换接头的驻波特性基本良好，但在高频段以及低频段驻波特性都有所衰减，整个频段范围内的驻波比基本保持在1.4以下，与仿真效果存在差异。

图6 实物测试结果

分析产生误差的原因有以下两点：1）经过大量仿真实验可以发现，阶梯的高度以及探针的插入深度对于同轴—波导的转换器的设计有较大影响。而在实物加工过程中，机械加工存在一定的误差，导致台阶尺寸以及探针的插入深度都与仿真值存在一定的偏差。2）阶梯以及上表面单脊均采用导电胶粘贴在矩形波导内表面上，导电胶粘贴所致的阶梯高度整体抬高以及台阶的粘贴位置的定位精准程度等都是导致仿真与实测结果产生较大差距的原因。为了克服这一系列问题，可以使用更为精密的仪器进行加工，降低工程误差；也可以通过将器件沿窄边轴线进行剖分，分为上下两部分，分别进行加工，之后再将两部分采用螺钉固定在一起，这样便可解决阶梯高度以及定位精准的问题，尽可能地降低实物制作过程中的误差。