33~38GHz同轴矩形波导转换器

33~38GHz同轴-矩形波导转换器的设计
摘要：同轴—波导转换器是微波系统中非常重要的元器件。

本文将介绍我们在33~38GHz探针型同轴-矩形波导转换器领域完成的工作。

通过加载介质套，展宽了频带宽度，但同时带内驻波有所增加，又通过在波导内给探针加载一个介质板使带内驻波始终小于1.11，达到了很好的传输效果。

此结构仿真计算是利用基于有限元方法的三维仿真软件HFSS。

关键字：33~38GHz同轴-矩形波导转换频带带内驻波
1.引言
在微波系统中，同轴波导转换器是一种非常重要的元器件，在雷达设备、精确制导和微波测试电路中有着广泛的应用。

不同的传输线和波导之间存在电磁场的转换、阻抗匹配等问题，在微波输入、输出电路中，较强的反射波将可能对发射机或其他级联器件的正常工作造成严重的干扰，导致微波系统性能不稳定，因此其设计的基本要求是：低驻波、低插入损耗、频带宽、便于加工设计。

同轴波导转换器有多种多样的结构形式，目前主要有阶梯波导转换、探针套介质转换等。

阶梯波导转换器有着很好的过渡性，但是加工复杂，而探针型转换器加工和设计相对简单。

通过用介质套筒套住探针，降低了波导的等效阻抗，减小了阻抗对频率变化的敏感性，从而展宽了转换接头的频带。

但是加载介质套之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。

短路
图1：探针型同轴矩形波导示意图
2.理论分析
这种结构能够完成从TEM 模到TE10模的转换。

同轴线的外导体与矩形波导的宽壁连在一起，内导体的延伸部分插入波导中，形成一个小的辐射天线，在矩形波导中激励出TE10模式的电磁波，为使激励效率最高，天线应位于电场最强的地方，即宽壁中间位置。

短路面的功能是提供一个可调电抗以抵消和高次模式截止场相对应的探针电抗。

在探针耦合时，求解电流源在波导中产生的辐射场，可以得到探针的辐射电阻为：
102
20
2
02221p h j d H ab k tg e R k βη⎛⎞=⎜⎟⎝⎠−（1）
通过调节探针长度h 和距短路面位置d ，使探针辐射电阻和同轴线的特性阻抗一致，就能使同轴线送到波导中的功率达到最大。

对于传播TEM
波的无损同轴线，其特性阻抗为：
c 12Z R R ⎛⎞=
⎜⎟⎝⎠（2）通过得到具体参数值，使p c R Z =，就能实现结构的匹配，使传输功率
得到最大。

通过HFSS 软件，得到模型图2(a)，HFSS 划分计算网格图2(b)。

Waveport 1
Waveport
2
图2(a)HFSS 软件得到的模型图图2(b)HFSS 软件对模型的网格刨分
矩形波导管型号为BJ320。

同轴线抑制高次模，满足min (21)R R λ
π>+，于是得到各结构尺寸和输入激励为:a
7.112mm B 3.556mm R1
1.45mm R20.62mm h 1.8mm （初值）
D 1.7mm （初值）Freq sweep
33GHz~38GHz L 15mm
表1.转换器模型的结构尺寸
由于在宽壁上开孔，造成结构上的不连续，必然会产生高次模。

为了改善匹配性能，可以调节插入位置d 和插入深度h ，使得驻波比不大于1.1。

我们使用HFSS 软件中的Optimization(优化)功能，采用Genetic Algorithm(遗传算法)，期望优化目标为端口VSWR<=1.1：为使计算结果正确，设置迭代次数为20次，收敛条件s ∆=0.02：
通过仿真计算，得到在参数d=1.81mm ，h=1.72mm 时的驻波比和插入损耗曲线：
图3(a)驻波比
图3(b)插入损耗S21
从上图可以看出，在带宽33GHz~38GHz内，驻波比小于1.1，插入损耗
210.012/
s dBλ
<，说明此结构的匹配性能良好。

通过改变矩形波导L的长度，我们可以看到矩形波导内高次模的抑制情况：
图4：矩形导体高次模的抑制
随着L的增大，高次模依次被截止，反应在传输性能上是驻波比的减小。

所以必须保证矩形导体有足够的长度。

1.内导体加介质套
为了展宽频带，可以采用下面的方式。

我们将探针用介质套筒套起来，并将频率扫描范围扩大为20GHz~50GHz。

结构和尺寸如下：
图5(a):加介质套的HFSS模型图5(b):加介质套的结构示意图
通过仿真，我们得到驻波比曲线：
图6(a):不加介质套，驻波比在1.2以下的带宽为11GHz
图6(b):加了介质套之后，驻波比在1.2以下的带宽为17.8GHz
对于这种情况，目前尚无完整的定量分析，但可以定性的说，介质套降低了波导的等效阻抗，减小了阻抗对频率变化的敏感性，从而展宽了转换接头的频带。

可以看到，加了介质柱之后，33GHz~38GHz 范围内驻波比有所增大，但是仍在可接受范围之内，同时在频带展宽方面优势非常明显。

2.在波导内给内导体加介质板
通过以上分析我们得到的结构在驻波比和带宽上并不能同时达到很好的效果，为进一步优化，我们提出了一下的结构：
图7(a)HFSS 模型斜视图
0.02m m 厚介质板
0.8m m 1.22m m
图7(b):HFSS 模型后视和俯视图
通过仿真，我们得到加和不加介质板驻波比曲线对比图：
图8(a):不加介质板时的驻波比
图8(b):加介质板时的驻波比
加介质套时的驻波比降到了1.11以下，结构达到了更好的匹配效果；
图9：加介质板之后的频带展宽为13.2GHz
至此，我们成功的取得对结构频带展宽和传输驻波比的优化目标。

3.结论
在实际应用中，为了展宽频带，我们通常都会选择给内导体加介质套的方法，但是其增加的功率损耗却无法消除。

本文提出的一种解决方案是，给内导体再加上一个介质板，使结构更接近阻抗匹配的效果，通过HFSS软件的分析结果，我们得到在33~38GHz带宽内驻波小于1.1，同时结构的对称性保证激励起的高次模非常小，波导结构的插入损耗也可以做得很低，在工程上易于实现。

这种性能结构的转换器在工程上有很大的应用价值。

4.参考文献
[1]魏振华,田立松,冯旭东,尹家贤,胡粲彬.8-18GHz同轴-波导转换器的分析
与设计.微波学报，2008,04：304—321
[2]周焱，苏东林.周期性结构在毫米波波导同轴转换中的应用.北京航空航天大学学报，2006，32（4）：412-416
[3]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).
[4]闫瑞清，李慧英.微波技术基础.北京：北京理工大学出版社，287-289。