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超宽频带波导同轴转换的设计和HFSS仿真分析
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2017-11-17
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本文主要针对常用频段波导类微波器件实际调试和测试的工程需要，设计出结构简单、加工方便、 调试容易，并能覆盖较宽频带的探针激励形式波导同轴转换，该种形式的WCC 现已覆盖BJ32、BJ48 等标准矩形波导口径，带宽均已达到40%以上，并在上述波导口径所覆盖的全频带内获得优良的电气性能。
1.引言
在一个微波系统中，有时难免会出现两种不同类型的传输线，例如既有同轴线又有矩形波导，或既有同轴线又有微带线，把两种不同类型传输线连接起来的微 波元件称为激励器或转换器。由于激励器或转换器直接影响整个系统的性能，故而研究此类元件从而提高它们的性能显得十分重要［1］。然而激励器或转换器边界 条件十分复杂，要严格地进行理论分析十分困难，只有极少数结构较为规则的激励器可作定量分析，传统的研究方法主要依赖试验测定 和调节，设计周期较长，因此选择行之有效的仿真工具可大大提高设计效率。 为了满足工程需要，本文的波导同轴转换选用探针激励形式。根据现有的探针激励形式的波导同轴转换研究理论，结合以往的工程经验，利用Ansoft 公司的HFSS 软件进行仿真设计与优化，获得了优良的工作性能。这种波导同轴转换的带宽可以达到40%以上，基本 可以覆盖波导口径所对应的主模可用频带。
2.波导同轴转换设计与测试
2.1 波导同轴转换基本原理
常用波导同轴转换采用探针激励来实现，它的输出是通过作为同轴线内导体的细圆柱（即探针）插入矩形波导的宽壁来激励主模TE10 波的。在这种装置中，探针两边都将激励起电磁波，因此要很好的选择短路面的位置来使同轴线与波导之间很好的匹配。值得注意的是，金属探针还会激励起不少其 它的模式，如TE11、TE01、TE12、TM11、TM12 等，但只要选择合适的波导尺寸，使得λ g（其它模式）《 λ 《λg（TE10），就能使其它高次模在靠近激励装置的附近就衰减了。一般情况下，根据传输功率的大小，所要求的频带宽度等激励装置都由经验确定。 激励装置应与波导很好的匹配，使大部分能量都传入波导。习惯上我们将探针作为一小天线向矩形波导辐射能量。波导同轴转换除了要求激励所需模式外还要 求输出最大功率，使激励装置与波导匹配，波导中不存在反射。探针天线向波导内辐射功率的大小，通常用探针的辐射电阻R 来表示，可以写成
可从上述（1）式中明显地看出：适当地选择探针的长度d和短路位置l 就能使辐射电阻R等于同轴线的等效阻抗Ze，这样就能保证同轴线探针的功率大部分传输到矩形波导中去。
1.引言
在一个微波系统中，有时难免会出现两种不同类型的传输线，例如既有同轴线又有矩形波导，或既有同轴线又有微带线，把两种不同类型传输线连接起来的微 波元件称为激励器或转换器。由于激励器或转换器直接影响整个系统的性能，故而研究此类元件从而提高它们的性能显得十分重要［1］。然而激励器或转换器边界 条件十分复杂，要严格地进行理论分析十分困难，只有极少数结构较为规则的激励器可作定量分析，传统的研究方法主要依赖试验测定 和调节，设计周期较长，因此选择行之有效的仿真工具可大大提高设计效率。 为了满足工程需要，本文的波导同轴转换选用探针激励形式。根据现有的探针激励形式的波导同轴转换研究理论，结合以往的工程经验，利用Ansoft 公司的HFSS 软件进行仿真设计与优化，获得了优良的工作性能。这种波导同轴转换的带宽可以达到40%以上，基本 可以覆盖波导口径所对应的主模可用频带。
2.波导同轴转换设计与测试
2.1 波导同轴转换基本原理
常用波导同轴转换采用探针激励来实现，它的输出是通过作为同轴线内导体的细圆柱（即探针）插入矩形波导的宽壁来激励主模TE10 波的。在这种装置中，探针两边都将激励起电磁波，因此要很好的选择短路面的位置来使同轴线与波导之间很好的匹配。值得注意的是，金属探针还会激励起不少其 它的模式，如TE11、TE01、TE12、TM11、TM12 等，但只要选择合适的波导尺寸，使得λ g（其它模式）《 λ 《λg（TE10），就能使其它高次模在靠近激励装置的附近就衰减了。一般情况下，根据传输功率的大小，所要求的频带宽度等激励装置都由经验确定。 激励装置应与波导很好的匹配，使大部分能量都传入波导。习惯上我们将探针作为一小天线向矩形波导辐射能量。波导同轴转换除了要求激励所需模式外还要 求输出最大功率，使激励装置与波导匹配，波导中不存在反射。探针天线向波导内辐射功率的大小，通常用探针的辐射电阻R 来表示，可以写成
可从上述（1）式中明显地看出：适当地选择探针的长度d和短路位置l 就能使辐射电阻R等于同轴线的等效阻抗Ze，这样就能保证同轴线探针的功率大部分传输到矩形波导中去。
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