模式匹配与综合方法设计Ka频段同轴_波导转换器

1、Vol 25 Nq 2Apr 2009第25卷第2期2009年4月JOURNAL OFM rROWAVES:2008-05-031-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved http:/wu v Vol 25 Nq 2Apr 2009:2008-05-031-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved http:/wu v Vol 25 Nq 2Apr 2009:1005 -61

2、22 (2009) 02-0070-04:2008-05-031-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved http:/wu v Vol 25 Nq 2Apr 2009:2008-05-031-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved http:/wu v Vol 25 Nq 2Apr 2009朱大红齐锋（南京电子技术研究所南京210013）:用高精度的模式匹配法对矩形波导和同

3、轴线的不连饯性进行了理论分析并结合综台法中的阻抗变 换.分析和设计了 Ka频段矩形浪导-同轴转换器借助干功能藏大的仿直软件An®ft HFSS对它进行了电磁场仿直 分析和实脸脸证.实脸结果表明：在26 540CHZ内.带内插损不大于1. 0B驻浪比不大于1. 2.其性能指标达到国 内较高水平满足工程应用安求最后通过仿直和实脸结果的比较验证了此方法的有效性。:Ka頻段模式匹配法阻抗变换综合法转换器Desfen of a Ka Band Coax fa 1-W a vegu He Transit bn byModeMatchhg and SynthetfcMethodZHU Da-hon

4、g, QI leng(N an jbig Resea nil Institute of Eleclrvnics Technology, Nan jin g 210013, China)Abstract: Tlie discontinuity of rectangularwaveguide and coaxial line is theoretical analyzed by use of the mode-mate- hing method with high precisbn The Ka-band rec tangu la r wavegu ide -coaxial transilbn i

5、s designed using synthetic method with mpcdancc transitbns as well Finally, the perfonuince of the method is mode led using clectnniagnetic field smuhtbn and verified with the Ansoft HFSS wflvaie The result shows that the pefinance reaches taller inland level and the engineering denuind. that is. in

6、 the banch idtli behveen 26 5Ghz and 40GHz. die inserli)n bss is no more than 1. O(JB, V9VR is no more than 1. 2 It is known that the method in thispaper is effective by canparing smulated resultwith perib in ance resultKey words: Ka-band, Mode-niatchingmctlK) d Inpedancc transitbns, Syn the lie met

7、hod, Tmnsilbn:2008-05-031-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved http:/wu v Vol 25 Nq 2Apr 2009:2008-05-031-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved http:/wu v Vol 25 Nq 2Apr 2009引言矩形波导同轴转换器件历来是各种雷达奈 统、精密制导系统、电于叉寸抗系统以及测试设备中不 可缺少

8、的一种无源转接器件.是雷达天愤奈统的重 要组成部分.其性能的好坏直接影响系统的性能。 近年来毫米波技术得到迅速的发展.原来被认为不 可能用于毫米波波段的同轴系统和多种元件，由于 它们具有频带宽、体积小、重量轻等独特的优点，而 越来越受到国内外屯子行业的重视。毫米波技术尤 其是毫米波同轴技术的发展进一步推动了各种元 件特别是波导-同轴转换器件的发展从而对这些 器件的性能要求变得更髙。本文用髙精度的模式匹I®法和综合法对矩形波 导及矩形波导-同轴连接进行了理论分析设计了 宽频带Ka频段矩形波导-同轴转换器，文中将模 式匹配法的数值计算值仿真结果和实验结果相比 较.其结果吻台很好。1理论分

9、析本文设计的矩形波导同轴转换器如图1所 示矩形波导1和同轴2通过一根探针连接起来，矩 形波导是E面单边不连续性的矩形波导，可以看 出：它包括了两个不连续的基本单元：哂单边不 连续性的矩形波导、不连续性的同轴和矩形波导与 同轴的探针连接。如图2（a）（b）所示.对两个不 连续的基本单元用模式匹配法理论分析"得到其 对应妁广义散射矩阵.将两个基本单元的广义散射:2008-05-031-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved http:/wu v Vol 25 Nq 2Apr 2

10、009:2008-05-031-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved http:/wu v 第25巻第2期朱大红尊:模式匹配与综合方法设计也频段同轴汰导快换需矩阵用级联公式连接起来得到整个转换器广义散/R , b,dy =（S儿+®Oji Jl +0i其中九6是Kiuneke函数。仿照横向电场模式 匹配的处理方法在S面上电场的横向分量H.相等 可得到：L：/A Ag ） =Ae* - ALh （A） +L W术丿二硏A：图7 Agilent E8363A矢网測得的驻彼比实

11、验曲线#61994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第25巻第2期朱大红尊:模式匹配与综合方法设计也频段同轴汰导快换需图7 Agilent E8363A矢网測得的驻彼比实验曲线#61994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第25巻第2期朱大红尊:模式匹配与综合方法设计也频段同轴汰导快换需4/i2（b）不连续同轴星本单元式中Lm«> Lem&g

12、t; Lee分别为Lhh Lem - Lkt的转矩Bit通常广义散射矩阵把散射波表示成入射波的函数。因此对（3）（6）式重新排列并整理得到:'AhAe一 cAl；-冶-A(7)图2浪导同轴转换器两个不连续的基本单元式中图7 Agilent E8363A矢网測得的驻彼比实验曲线#61994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第25巻第2期朱大红尊:模式匹配与综合方法设计也频段同轴汰导快换需图2（“）为E面单边不连续波导基本单元当主 模TE“檄励时,不连续性两侧会产生及1M

13、,” 模。虚线所示Z=0的平面为不连续面.在1、2区 中.将沿+乙及Z方向传播的所有模式考虎在内. 电磁矢位乙分量（心H.E）可以表达“：finz)十A： exp (成刃 1（2） 式中为伎播常数，况，疋为归一化系数.匕. 亡为本征函数.A：±M汙为幅度系数。根据电磁场的 基本理论.在S面（图2（a）中虚线的横截面丿上剋 场的横向分量任相等.在S面上积分.由模式正交性 化简整理得矩阵形式；九 + 知=L“h Mh + "h 丿（3）类似的，可得到：j4e* + Ah = Lee ML* + Ai； ） + Lui （Au +An* ）（4） 式中Lhh.Lm.Leh是TE模

14、和IM模的耦合矩阵： 仏忙丿川=1为单位矩阵。V为耦合系数矩阵即0V = LfcH St!V，为V的转置矩阵。矩阵S进一步化简和降维得广义散射矩阵參 量Sn, S12> S21, S 22表达式如下:Su = N ( vv'j(10a)Sl2 = 2/VV(10b)S21 = VT/ 1 +N(I VV丿 J (10c)S22 = I 2VVt(lOd)其中N二（1 +WT） 1 o式（10）为双端口网络模式 分析时广义散射矩阵的通用表达式。对于具体多级 的不连续性只要通过模式匹配法求得其耦台系数 矩阵V .多级的不连续性广义散射矩阵相级联就可 求得总矩阵。图2（b）为不连续同轴

15、基本单元可按以上所讲 述的E面单边不连续性二端口网络模式匹配分析 方法，对该同轴的不连续性进行分析。依据电磁场 基本理论当1®】模自1区输入时，在不连续处除 了 1M。”模以外不会激励起其它髙次模式。在1、2 区中将沿+乙及乙方向传播的所有模式考虑在内 （设1.2区中充填相同的介屯常数）横向场氏（I=12)可以写作3：B；： =九 1B：； exp (- Al z)+ B： exp (X. z) I(11) 式中匕”为归一化系数，九为本征函数後为幅度 系数氐为传播常数，对于1M"模横向电场匹配式 可简化为：+B； = Re (0, 0) +砒丿 +心(0, 0) (B苗 +

16、；丿(12丿式中Re (0, 0),Re (Q, n)分别表示1区THV1模同2 区TBV1、1M模之间的耦合系数。对(12)式在区间 I ah Lt积分可得到：bL* +Be = /?B (p. 0) (Bo* +Bo ) +Re(P.泊(B；*丿(13)式中肌50)、雇(p. h)分别表示1区IM模与2区 TEM、1M模之间的耦合奈数。故此，THV1模式可以 作为TM点归入TM“”模式中，(12),(式统一表 达为：砖 +3；= Rh +b/ 丿 ( 其中"=0, 1.2.3 =0. 1,2,3。同样的.在z=o面上匹配磁场切向分量仿照横 向电场的匹配方法化简整理可以得：+B；=

17、 Ri( (Be* 十丿(15)其中Rh = (RE)r(16)令V =陽并代入(14)、(15)式中.可求得该不连续 性的(10)式同样的广义散射矩阵和级联的总矩阵。L 31h用综合法分析确定探针到短路活塞的最佳距离 以及插入深度h°由匹配条件：从同轴线向波导看 去的阻抗等干同轴线的特性阻抗。设同轴线的特性 阻抗为乙，波导的等效特性阻抗为 乙探针附近的 高次模引起的电抗为X.则根据匹配条件可推出匹 配公式'i(he/b)2 cosd/a) siriS / = Zo (17)(ht /b) cod (Jl d/a) Z” sinp /co0 / + X = 0(18) 式中化

18、为探针的有效髙度可近似为"2,探针偏 离波导宽壁中心线一定距离d。由：R = (he /6)2cos 仇 d/a) Zog sin节 /(19)将乙$=125舒茨及入$ =代入由dR/入* = 0可得：彳严/最佳=；/最佳丿 运用牛顿迭代法编程求解此超越方程.最后求出/ 和力的值。2波导同轴转换器的设计利用以上模式匹配法求得的广义散射矩阵，以 及级联公式可求出转换器不连续部分的传输系数 S'；.在不连续面的两侧区域各取对应的N种模式 (其中矩形波导的主模为 0。模.同轴的主模为 TEM模).取S为目标函数(S；是一个N XN的含 高次模式的矩阵)，采用fortran0 mat

19、lab语盲編程 算哺然后编写目标函数优化程序进行优化将给 定的性能指标作为目标函数优化的约束条件.需 初值用等效电路法求出当N A35时(I S：| I、I S； I 可达到标准测量设备的精度之内例如±0 01)目 标函数有较好的收敛性。同时在此基础上借助于功 能强大的仿真软件AnsDftHFSS对E单面矩形波导 同轴转换器设计初值进行仿真经过优化最后得 到五阶梯波导和二阶梯同轴连接转换器其最佳尺 寸见表lo1(mm)E面单边不连续浪导不连续同轴线u=7. 119 =2 40 / = 5. 00% = 1. 30frj =1 56 $ =3 34 们=2 67h4 = 1. 75 b

20、 =1. 10 /% =Q 7% =Q 70 A = l. 20表中"为矩形波导宽边的长度，切仃=1,2,3, 4.5.6)为矩形波导窄边的长度 /为探针到短路活 寒的距离.厶为探针的插入深度5为大同轴内径 Q为小同轴内径，必为探针外径。设计选用标准 的WJ320型矩形披导的内截面尺寸“ =7. 112mm, A =3 556mm其适用的频率范围为26 540 0GH乙满 足Ka频段转换器设计的需要。利用上述的方法. 设计的一个E单面矩形波导伺轴转换器(图3),其 性能皆标：工作频率：2& 5-40GHz;带内插损：厶W 1. OdB:驻波 比(V»VR)：p &l

21、t;1. 2o图4和图6分别是由An soft HFSS软件仿真E 单面波导到同轴转换器传输特性和驻波比的仿真优图3 Ka頻段矩形波导同轴转换菇化曲线图5和图7分别是由Agilent E8363A矢网 测得波导到同轴转换器传输特性和驻波比的实验曲 线分别对比图4和图5、图6和图7.可知两者较吻 合。图5 Agilent E8363A矢网测得的传输待性实验曲线图6 AnjnftHFSS软件的驻谊比仿直优化曲线3结论本文用髙精度的模式匹配法对不连续矩形波导 及不连续性同轴线进行了理论分析用模式匹配法 和综合法.借助于功能强大的仿真软件An soft HFSS 设计了宽频带K“频段矩形波导同轴转换器

22、，同 时将模式匹配法的数值计算值进行仿真和实验结果 比较.其结果吻合得较好.从而验证了此方法的有效 性J殳计的矩形菠导同轴转换器指标满足工程应 用要求。0 Knelesch H D. Contributi)n k) the Theory of Abmpt Closs-sectional Changes in Waveguides! J . Arcn Elektr Obertr. 1968, 22(12): 591-6002 Collin R E Field llieoiy of Guided WawsM . New York: McGraw Hill 1960BBomeniann J. Arndt E ModaFS-matrix Design of Opti- nmn Stepped Ridged and Finned Waveguide Transt)n)ers J |. EEE Trans on M icRMave Theory and Technique s. 1987, 35(6): 561-567(4) Mansour R R. Maq)hie R H An hipmved Transhiissbn