同轴波导转换

1、L 波段同轴线矩形波导转接头的宽带设计与实现刘建生 居继龙 张良(中国传媒大学京隆广播技术研究所，北京100024)【摘 要】文章介绍了 L 波段同轴线矩形波导转接头的一种理论模型， 并对转接头的输入阻抗和带宽进行了研究。 经过研究发现，转接头的带宽特性可以通过改变探针形状和在矩形波导宽壁上添加若干调谐螺钉而得到充分改善。 最后，利用基于有限元方法的三维电磁仿真软件 COMSOL Multiphysics 3.4 ，对这种模型进行了全波分析和优化，最 佳传输特性能够实现在全波导带宽内( 1.131.73GHz )回波损耗-28dB以下，从而验证了这种结构的可行性。 【关键词】 L 波段；宽带；

2、转接头Design and Realization of Broad Band Rectangular Waveguide-CoaxialAdapter at L-bandLIU Jian-sheng, JU Ji-long, ZHANG Liang(Beijing-Lund Broadcasting Tech Lab, Communication University of China, Beijing 100024)Abstract: The paper describes a theoretical model of coaxial-rectangular waveguide adapt

3、er at L-band. Input impedance and band width for the adapter is researched. After a careful investigation, we found that the bandwidth of the adapter could be fully improved by changing the probe shape and adding some tuning screws at the broad wall of the rectangular waveguide. In the end, the full

4、-wave analysis and optimizing of a L-band coaxial-rectangular waveguide adapter are presented, using three-dimensional electromagnetic simulation software COMSOL Multiphysics 3.4 which is based on Finite Element Method. The optimal results show that the return loss from the coax-to- rectangular wave

5、guide transition is better than -28 dB at the total bandwidth (1.131.73GHz) of corresponding rectangular waveguide. The result shows the structure is feasible.Key words: L-band; Broad band; Adapter1. 引言在广播电视发射系统和微波通讯领域中，同轴矩形波导转换接头是一个不可缺少的元件。在 好多微波系统里，例如天线、发射机、接收机和载波终端设备等，普遍用到了同轴波导转换接头。 在微波输入、输出电路中，较

6、强的反射波将可能对发射机或其它级联器件的正常工作造成严重干扰, 导致微波系统性能不稳定，因此对转换的基本要求是： (1) 低驻波、低的插入损耗； (2) 有足够的频 带宽度； (3) 便于设计加工。到目前为止，宽带同轴波导转换的方法主要有：利用阶梯波导转换、探针套介质转换等。阶梯 波导转换是一种有良好过渡特性的结构，但需要精确的机械加工，体积也较大；探针套介质转换型 接头的同轴内导体用介质套住， 虽然这样降低了波导的等效阻抗， 减小了阻抗对频率变化的敏感性， 从而展宽了频带，但是，加了介质套筒后，会降低转换器的功率容量，因此这种装置多用于功率较 低的情况。而且据 8 报道，内导体加介质护套对电

7、大尺寸的转接头并不能改善带宽，但对电小尺寸 的转接头，在低介电常数时，可以增加带宽。L波段卫星数字声音广播具有广播质量高、覆盖面广等特点，随着L波段卫星数字音频广播技 术的迅速发展以及手机电视TDMB在L波段的覆盖，最近我们对L波段的同轴一矩形波导转接头进行了研究。该器件在相应矩形波导（WR650 ）单模（TEio模）工作的全部带宽内（1.131.73GHz ）具有良好的驻波系数。2. 理论分析波导接头的分析和设计，属于波导中的不连续问题。图1表示探针激励的同轴一矩形波导转接头。要精确地确定接头的带宽和反射特性，关键是找出从同轴端看进去的输入阻抗的实部和虚部， 它们是由插入波导内探针的自由感应

8、电流导出的。由于在矩形波导中插入了探针，并在宽壁上开了 孔，从而造成结构上的不连续性，这必然会在同轴线与波导的连接处产生高次模。但是，这种高次 模在距连接处稍远的区域内会很快地衰减掉（因为波导对它们是截止的）。174#现在假设波导内壁和探针均为理想导体，探针在矩形波导宽边的正中位置。考虑电流对探针的 激励，忽略其它任何的电磁耦合，那么该接头从同轴向波导看进去的输入阻抗为：j(X2 + X3 + X4 )(1)#式中E为分布在探针体积 V上的电流J在波导内产生的电场， Iin是输入电流，Rin是输入阻抗的实 部，X2、X3、X4是输入阻抗的虚部，X2是矩形波导中 TEio主模产生的电抗，X3、X

9、4是高阶模引起的 电抗。在TEio单模工作频率范围内，因为高阶模可截止，因此X3、X4电抗忽略不计。Rin、X2分别表示240 n为：Rn =tg2?kh?si(kjjl- (n/ka)2)abk21-(n/ka)2?2?宀 ')X2 =120 ntg2?kh ?sin2 (2kLi 1-(n/ka)2)abk2 ；1- (n/ka)2?2 ?因此，从同轴端看进去的输入反射系数为：Zin - Z0Zin + Z0其中Z0是同轴线的特性阻抗。通过反射系数和回波损耗的关系，就可计算出矩形波导一同轴接头的 回波损耗特性。虽然适当地选择L" h的尺寸，能使接头在工作频段内输入阻抗的电

10、阻部分接近于同轴线的特性阻抗，从而得到低回波损耗的同轴一矩形波导转接头，但是带宽很有限。为实现从同 轴线低阻抗（一般是 50 Q）到波导高阻抗（一般大于377 Q）的最佳过渡，对同轴线来说，需要引 入阶梯阻抗，对矩形波导来说，需要引入调谐螺钉来改进匹配。这样才能使转换器在较宽的频率范 围内实现阻抗匹配。3. 理论模型设计图2是L波段宽带同轴线一矩形波导转接头的主剖面图，波导部分为 WR650标准矩形波导（单模工作频率范围是 1.131.73GHz，中心频率1.4GHz对应的波导波长为入g=281mm，长边a= 165.1mm，窄边b = 82.55mm。矩形波导一端短路，另一端为输出端，输出端

11、设有一法兰，探针到短 路面的距离为L!，转接头的总长L = 200mm。同轴端口采用1 5/8 '标准电缆，Z°=50 Q,同轴线与矩 形波导宽边垂直，它的外导体与矩形波导宽边连接。同轴线外壳内径d1=38.8m m。内导体分为两段圆柱，直径分别为d2= 16.9mm、d3= 30.86mm ,高度分别为h1、h2。其中探针顶部有半径为 r= 0.5mm 的倒角。在已确定波导的口径尺寸下，其他尺寸按照下面一组经验公式确定。图2宽带同轴一矩形波导结构图1）由于在探针点的电场是最强的，设在探针点的电场为E=UCOS，短路面点的电场应为E=0.5UCOS，则=60°。60

12、 °/360° =0.1667，因此探针到短路面的距离为:L1 0.1667 入 g=47mm。2）WR650矩形波导的尺寸为 ax b=161.5mm x 82.55mm ,因此同轴探针距输入面的距离：h =h1 +h2=b/2=41.28mm，其中 h1=h2=h/2=20.6mm。3）内导体末端大导体的直径：d3 2d24）改善匹配的方法是将调谐螺钉置于波导体内，调谐螺钉的尺寸可参照同轴电缆内导体的尺寸而略小为宜，我们选用5的铝棒（必要时镀银）。第一个调谐螺钉距离探针的距离y1 -入g/8=34.7，第一个调谐螺钉距离探针的距离y2入g/4=69.5mm。4. 验证分

13、析在许多微波系统中，经常需要将一种波导系统与另一种波导系统相接，其中最常见的就是同轴 线到矩形波导的转接。随着高速大容量计算机的出现，人们可以应用各种数值计算方法对其进行精 确分析和优化设计。过去是根据经验来设计转接头，既浪费材料，设计周期又长。因此利用计算机 辅助设计是产品开发不可缺少的一步。下面通过仿真来分析理论模型的电特性。按照上面经验估计的数据，在COMSOL Multiphysics3.4中绘出如图2所示转接头的三维结构。采用1 5/8标准同轴端口作为输入口，然后进行材料设置、端口和辐射边界的设置及求解方面的设置，同轴线外导体为黄铜，内导体和阶梯探针为黄铜镀银， 矩形波导壁为铝板，黄

14、铜的电导率为bcu= 1.5 x 107s/m,铝的电导率为c ai = 3.8 x 107s/m,同轴线和矩形波导内填充的介质都为空气，空气相对介电常数为&r = 1。扫描频率设置为1.131.73GHz,完成后开始求解调试。因为同轴线内导体的直径是固定的，因此只需要调节内导体伸入波导的长度0、内导体末端所挂导体圆盘的直径 d3和高度h2、探针到短路面的距离 L1以及两个调谐螺钉的位置 y1,y及他们的深 度，具体方法是先固定其中一个变量，调节另一个变量，然后观察仿真结果，再做出调整，一直调 整到得出满意结果为止。对于同轴一矩形波导转换器的仿真来说，我们最关心的便是通带内的回波损耗。

15、经过调试、优化，因为有了理论估计的尺寸，很短时间就可确定接头具有最佳传输特性时的结构尺寸(L1=52.8mm、m=19mm、h2=22.2mm、d3=30.86mm ,y=37mm ,y=63.5mm ),具有最佳传输特性时的回波损耗曲 线如图3 ( a) (b)所示。图3 (a)是单个同轴波导的回波损耗曲线，图3 (b)是两个一模一样的同轴波导背靠背接在一起时的回波损耗曲线。He turn. Lra图3 ( a)单个同轴波导回波损耗曲线1, 1.via1二一聊镒爱註罩切图3 (b)两个同轴波导接一起时回波损耗曲线He-tum. Ltsss1,4 M0176#从图3( a) (b)结果可看出，

16、回波损耗w -28dB的频率范围为1.13- 1.73GHz ,中心频率1.4GHz, 相对带宽可以达到 43%，从而表明设计是可行的。在调试的过程中，发现：1)探针到短路面的距离 L1的变化，直接影响器件回波损耗数据。下面我们做了5档测试，=2mm结果如图4所示，调试数据说明，Lj的变化使曲线上下平移，并且在调节范围内有 一个最佳值。Recurn Loss#ftL1=6.6-n-riL1=50.6TITI I1 3I tix 1：|1.4Fneqi.eDiy521:-U二S.8P JlmlaJUEJBd-s#图4探针到短路面的距离变化对回波损耗的影响2)图5比较了不插入螺钉、插入第一颗螺钉、

17、同时插入两颗螺钉时，接头的回波损耗曲线。 仿真结果表明，调谐螺钉的应用，很大程度上改善了转接头的带宽。Rstum Loss-idDF1Q前用尸Frequency图5匹配螺钉对接头回波损耗的影响xlu15. 结论通常，我们认为探针激励波导的转接头频带较窄，然而我们发现改变探针形状和增加调谐螺钉，可以增加带宽。本文正是介绍了这种宽带同轴一矩形波导转接头的原理和设计方法，结合经验和计 算机辅助设计来设计这种转接头，既不浪费材料，大大缩短了设计周期。根据这种方法设计的L波段同轴一矩形波导转接头，在全波导带宽内(1.131.73GHz )回波损耗-28dB以下，而且不需要多级转换、结构紧凑、外形尺寸小、

18、加工方便、装卸容易。此元件可望在工程实践中得到实际应用。参考文献1 柯林R E著,吕继尧译.微波工程基础.北京:人民邮电出版社.1981, pp. 206 - 211.2 陈明珠.W波段矩形波导-同轴转换器的研制.光纤与电缆及其应用技术，1996,(02).3 A. G . Williamson, “Coaxially fed, hollow probe in a rectangular waveguide,” Proc. IEE, vol. 132, pt. H, pp. 273-285,1985.4 I. M. Jarem.“ A method of moments and a finit

19、e-difference time-domain analysis of a probe-sleeve fed rectangularwaveguide cavity, ” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-39, pp. 444-451, Mar. 1991.5 M. E. Bialkowski,“ Analysis of a coaxial-to-waveguide adaptor incorporating a dielectric coated probe,” IEEMicrowave & Guided Wave Lett., vol. I, no. 8, pp. 211-214. Doorknob Type Little Reflection Transition of Coaxial TEM Mode to Rectangular TE_ (10) Mode, LIN Fu-min ; GUANTian-hao; Vacuum Electronics.7 Simulation of a 700-M