一种可用于高功率传输的波导盲插结构

刘明罡，王乃志，方红梅，谢金祥

（南京电子技术研究所，江苏南京，210039）

1 引言

在微波领域中，金属波导是大功率微波信号低损耗传输的典型馈线形式。单根波导的长度是有限的，例如X波段的金属波导的典型长度在1m～2m之间。为了形成更长距离的传输波导，可以将多根短波导通过法兰面用螺钉紧固连接成一长根波导。

在一些特殊的射频互连场景中，微波信号对接处，没有足够的空间在波导口周边布置法兰，或则没有螺钉紧固操作的操作空间，需要采用盲插对接方案。

目前，用于射频接头盲插对接的方案中，多采用SMP、BMA、SBMA、TNC 等同轴结构的盲插连接器［1-4］。但是，此类同轴连接耐功率水平有限，无法长期承受高频段（X波段及以上）的KW 级峰值功率微波能量的传输，可能存在打火、发热等问题。因此，对于高频段（X波段以上）、高密度、大功率微波能量传输时，需要采用波导盲插对接方案。

本文中，借鉴上述同轴结构的盲插连接器中，使用了金属弹性簧片实现对接双方的电气连续性，提出了利用金属簧片［5］的方法，保证两段波导对接面内壁电流连续，降低对波导口对接法兰的尺寸、紧固螺钉以及对接精度的要求，可在紧凑受限空间内，实现大功率高频微波信号的互连传输，方便在相控阵条件下使用。

2 波导端口结构

具备盲插能力的波导口结构如图1所示，在标准波导口周边布置有金属簧片，其中波导口为BJ100波导口，尺寸为22.86mm×10.16mm。在两个波导端面对接场景下，仅在其中一个波导对接面的上布置簧片。另外一个波导对接面上不布置簧片，而保持平整对接面（无扼流法兰等结构）。

簧片安装在波导口的周边，重点布置在波导口宽边上下，两个宽边均需要布置，以保证波导内表面电流的连续传输，波导的两个窄边也布置了簧片，其作用为进一步抑制电磁泄漏，如图1所示。

图1 装有金属簧片的矩形波导口（波导为BJ100）

簧片的尺寸如图2所示。针对X波段波导，采用的金属簧片的齿形为矩形，周期为2.4mm，齿间距为0.4mm，矩形齿相对与波导对接面的高度（可压缩量）为0.8mm。

图2 金属簧片结构示意图与尺寸（图中尺寸单位：mm）

如图3所示，簧片在波导口面上的固定方式可以包括：1）背胶贴装，2）螺钉或销钉固定。

图3 金属簧片安装方式

依据簧片的高度计算，波导对接面的的间隙为0.6mm（针对上述X波段簧片高度为0.8mm的情况），如图4所示。该间隙尺寸为波导对接面的对接误差容许范围，即两个波导端面之间的间隙在0～0.6mm之间，均可以使电磁波良好传播。

图4 波导盲插对接示意图（剖面图，图中尺寸单位：mm）

与传统的波导端面连接要求相比，如要求波导法兰面的平整度、紧固螺钉松紧程度、波导法兰面对位精度要求等，采用簧片连接后，能大幅度降低波导对接精度要求，适用安装空间紧张、难于紧固操作的环境，尤其适用于相控阵。

3 仿真分析

为了确定盲插对接波导性能，通过电磁仿真软件进行计算验证，仿真模型如图5所示。其中，采用BJ100波导，在两波导对接端面之间加金属簧片连接。两波导端面间距为0.6mm。仿真中波导口馈入的功率为20kW。

图5 波导盲插结构电磁仿真模型

盲插结构的驻波仿真结果如图6所示，采用金属簧片后，波导对接端面的横向错位为1mm时，对接处的驻波≤1.1，当横线错位为2mm时，对接处驻波≤1.3。故此盲插结构可以允许1mm以下的横向错位。

图6 不同横向错位尺寸时对接端面的驻波

盲插结构的场强仿真结果如图7所示。波导口的激励功率为20kW，波导对接端面错位为2mm，从图中可知，整个结构内的场强最大值为470kV／m，远小于空气击穿场强（3000kV／m），不会使空气击穿。故此结构可以传输至少20kW 的微波功率。

图7 波导对接端头附近电场分布

4 测试结果

为了测试用簧片实现的波导对接结构的高功率传输性能，按图8搭建测试系统。测试系统中包括X波段速调管（产生高功率射频信号）、定向耦合器（用于测定输出功率），对接波导段（用于安装簧片），角锥喇叭（作为负载）以及配套的电源和冷却设备。其中，对接波导段的法兰面上粘接有金属簧片，如图9所示。

图8 波导盲插结构耐功率试验

将对接波导段和定向耦合器，对接法兰面上通过局部嵌入6层厚度为0.1mm介质垫片，使得波导法兰面分开0.6mm，破坏其原有的电接触条件，改为由簧片实现波导对接面的电接触。

在高功率测试中，采用高功率行波管为波导对接端提供峰值功率25kW，占空比3‰的微波功率脉冲。微波频率为10GHz，脉冲宽度为10us。拷机时间为2小时。

在拷机过程中，功率计读数稳定、未出现啸叫等现象。在拷机结束后，在波导对接端面上未发现有打火痕迹，如图9所示。

图9 用于耐功率实验后波导对接端面

5 结论

本文提出的波导盲插结构，通过在波导对接端面上安装金属簧片，可实现两段波导对接面处的电流连续传输。仿真结果显示该结构的对接端面具有较好的匹配性能，且具备较大的容差特性。通过25kW 大功率拷机试验，验证了该盲插结构具备大功率传输能力。此种盲插结构能降低对波导口对接法兰的尺寸、紧固螺钉以及对接精度的要求，可在紧凑受限空间内，实现大功率高频微波信号的互连传输，方便在相控阵条件下使用。