超寬頻帶波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)和HFSS仿真分析

本文主要針對(duì)常用頻段波導(dǎo)類微波器件實(shí)際調(diào)試和測(cè)試的工程需要，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、 調(diào)試容易，并能覆蓋較寬頻帶的探針激勵(lì)形式波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換，該種形式的WCC 現(xiàn)已覆蓋BJ32、BJ48 等標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)口徑，帶寬均已達(dá)到40%以上，并在上述波導(dǎo)口徑所覆蓋的全頻帶內(nèi)獲得優(yōu)良的電氣性能。
　　1.引言
　　在一個(gè)微波系統(tǒng)中，有時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)兩種不同類型的傳輸線，例如既有同軸線又有矩形波導(dǎo)，或既有同軸線又有微帶線，把兩種不同類型傳輸線連接起來(lái)的微 波元件稱為激勵(lì)器或轉(zhuǎn)換器。由于激勵(lì)器或轉(zhuǎn)換器直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，故而研究此類元件從而提高它們的性能顯得十分重要［1］。然而激勵(lì)器或轉(zhuǎn)換器邊界 條件十分復(fù)雜，要嚴(yán)格地進(jìn)行理論分析十分困難，只有極少數(shù)結(jié)構(gòu)較為規(guī)則的激勵(lì)器可作定量分析，傳統(tǒng)的研究方法主要依賴試驗(yàn)測(cè)定 和調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，因此選擇行之有效的仿真工具可大大提高設(shè)計(jì)效率。 為了滿足工程需要，本文的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換選用探針激勵(lì)形式。根據(jù)現(xiàn)有的探針激勵(lì)形式的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換研究理論，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，利用Ansoft 公司的HFSS 軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化，獲得了優(yōu)良的工作性能。這種波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換的帶寬可以達(dá)到40%以上，基本 可以覆蓋波導(dǎo)口徑所對(duì)應(yīng)的主?？捎妙l帶。
　　2.波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)與測(cè)試
　　2.1 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換基本原理
　　常用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換采用探針激勵(lì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它的輸出是通過(guò)作為同軸線內(nèi)導(dǎo)體的細(xì)圓柱（即探針）插入矩形波導(dǎo)的寬壁來(lái)激勵(lì)主模TE10 波的。在這種裝置中，探針兩邊都將激勵(lì)起電磁波，因此要很好的選擇短路面的位置來(lái)使同軸線與波導(dǎo)之間很好的匹配。值得注意的是，金屬探針還會(huì)激勵(lì)起不少其 它的模式，如TE11、TE01、TE12、TM11、TM12 等，但只要選擇合適的波導(dǎo)尺寸，使得λ g（其它模式）《 λ 《λg（TE10），就能使其它高次模在靠近激勵(lì)裝置的附近就衰減了。一般情況下，根據(jù)傳輸功率的大小，所要求的頻帶寬度等激勵(lì)裝置都由經(jīng)驗(yàn)確定。 激勵(lì)裝置應(yīng)與波導(dǎo)很好的匹配，使大部分能量都傳入波導(dǎo)。習(xí)慣上我們將探針作為一小天線向矩形波導(dǎo)輻射能量。波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換除了要求激勵(lì)所需模式外還要 求輸出最大功率，使激勵(lì)裝置與波導(dǎo)匹配，波導(dǎo)中不存在反射。探針天線向波導(dǎo)內(nèi)輻射功率的大小，通常用探針的輻射電阻R 來(lái)表示，可以寫成
　　
　　可從上述（1）式中明顯地看出：適當(dāng)?shù)剡x擇探針的長(zhǎng)度d和短路位置l 就能使輻射電阻R等于同軸線的等效阻抗Ze，這樣就能保證同軸線探針的功率大部分傳輸?shù)骄匦尾▽?dǎo)中去。