最新同轴波导转换器的设计

学校代码：10385分类号：学号：密级：学士学位论文同轴——波导转换器的设计Design of coaxial to waveguide transducer作者姓名：指导教师：学科：研究方向：电磁场与微波技术所在学院：信息科学与工程学院论文提交日期：二零一四年五月二十日摘要同轴—波导转换器是微波系统中非常重要的元器件。

基于脊波导和波导阶梯对导播系统中电磁波传播性能的影响，本文探讨了这两种结构应用在8-18GHz的宽带同轴—波导转换器设计中的情况。

通过同轴—脊波导—矩形波导转换，并在脊波导上加载阶梯，很好地改善了阻抗匹配效果，提高了同轴—波导转换器的传输性能。

阻抗变换是为了消除带内不良反射，以获得良好匹配的一种微波器件，广泛用于微波电路和天线馈电系统中。

其结构上大致分为阶梯式和渐变式。

前者能够比后者获得更好的带内波纹系数和更短的长度。

对阶梯阻抗变换器的设计，主要分为传统设计方法和优化设计方法。

本文的仿真结果证明脊波导和波导阶梯在设计同轴—波导转换器中的有效性，在8-18GHz的倍频程带宽内驻波小于1.25，产生的高次模非常小。

关键词：同轴—波导转换脊波导波导阶梯阻抗变换AbstractCoaxial-waveguide transition plays an important role in microwave system.Based on the influence of ridge waveguide and waveguide ladder exerted on transmission performance of electromagnetic wave in guided wave system, this paper discussed the situations of these two structures applied in the 8-18GHz broadband coaxial-waveguide converter designation. Through the conversion of coaxial-ridge waveguide-rectangular waveguide, and ladder loading of ridge waveguide, the effectiveness of impedance matching is well improved,and the transmission of coaxial-waveguide converter is highly advanced. Impedance transformation is to eliminate in-band bad reflection, in order to obtain a good matching microwave devices, widely used in microwave circuit and antenna feed system. Its structure is largely divided into stepwise and gradual type. The former can be better than the latter in-band ripple coefficient and the shorter length. The design of stepped impedance converter, mainly divides into the traditional design method and optimization design method.Simulation results proved the effectiveness of ridge waveguide and waveguide ladder in designing coaxial- waveguide converters.The VSWR of coaxial-waveguide transition designed in this paper is less than 1.25 in the 8-18 GHz octave bandwidth, and the high modulus produced is very small.Key words：Coaxial-waveguide transition Ridge waveguide Waveguide ladder impedance transformation目录摘要................................................................................................................................................. Abstract (I)目录................................................................................................................................................. I I 第1章绪论. 01.1 同轴—波导转换器的设计背景 01.2 国内外研究动态 (1)1.3 论文的研究内容和创新 (2)1.3.1 论文的研究目地和意义 (2)1.3.2 论文的主要工作和创新 (2)第2章同轴—波导转换器理论分析 (3)2.1 同轴—波导转换器的介绍 (3)2.2 同轴—波导转换器的原理 (3)2.2.1 波导的设计原理 (3)2.2.2 脊型波导器件的设计原理与优势 (9)2.2.3 阶梯阻抗变换基本原理 (13)2.3 同轴—波导转换器的性能参数介绍 (16)2.3.1 输入驻波比 (16)2.3.2 频率范围 (16)2.3.3 插入损耗 (16)2.3.4 S参数 (16)2.3.5 电压驻波比 (17)第3章同轴—波导转换器的仿真设计 (18)3.1 HFSS 软件的介绍 (18)3.2 设计指标 (19)3.3 各类同轴—波导转换器的优化设计 (19)3.3.1 普通同轴－波导转换器 (19)3.3.2 宽带同轴－脊波导转换器 (23)3.3.3 优化后的同轴－脊波导转换器 (25)3.4各类同轴—波导转换器的性能比较 (27)第四章总结 (34)参考文献 (35)致谢 (37)附录 (38)微带 (50)单线 (51)第1章绪论1.1 同轴—波导转换器的设计背景在现代卫星通讯、干扰与抗干扰等高科技领域，高频率、宽频带电子系统的发展日新月异。

在这些电子系统的研制过程中，基于波导结构的天馈系统的实现至关重要，它们一般都以波导作为输入/输出端口，而实际工程中的馈电电缆或常用测量仪器如矢量网络分析仪、频谱分析仪、功率放大器等，则大多以50Ω/75Ω同轴线作为输入/输出端口，因此高性能的宽带同轴－波导转换器成为保证电子系统正常工作的关键部件之一。

为适应高频宽带的迫切需求，需要着重考虑两个方面来改进同轴－波导转换器的结构:首先利用金属脊加载均匀波导，可降低端面特性阻抗并展宽工作频带;其次，需要改进同轴线和波导传输线的连接方法。

例如，采用多阶阻抗变换、同轴探针与金属脊垂直相交的连接方法，研制用于10kW功率测试的同轴－波导转换器，可得到700MHz到2500MHz 的工作带宽；采用脊和同轴探针平行放置并分别进行阻抗变换、探针尾部折向与脊相连的方法，可得2600MHz到3700MHz的带宽；采用宽壁对称加载双脊的方法可得到覆盖Ka波段的仿真工作频带；用直接接触式连接可得到3:1的带宽，但插入损耗较大;若采用波导窄壁加载双脊、圆盘形探针尾部、非接触式的连接方法，虽可获得较宽的工作频带，但其结构过于复杂，加工精度要求较高。

若要兼顾转换器结构的简单性和宽频带的工作特性，则需进一步研究始对UWB技术进行验证。

2002年2月，FCC批准了UWB技术用于民用，UWB技术发展慢的原因主要有：在1994年以前主要限于军方使用，限制了第三方开发支持UWB的软件和硬件；由于UWB使用许多专用频段，FCC对UWB技术的批准进展缓慢；UWB带来的干扰问题也阻碍了UWB的发展步伐，而且，由于UWB技术可能取代现在使用的所有无线技术，包括PAN，WLAN和无线WAN，因此，许多公司会抵制该技术的商用。

虽然如此，在此期间，UWB天线还是取得了很大的发展。

1941年，Stratton和Chu提出了类球体天线。

是通过直接求解Maxwell方程得到该天线的辐射性能，但是类球体天线的分析方法不能应用到任意形状的天线。

1943年，Schelkunoff提出了双锥天线。

它可以简单的利用Maxwell方程求解。

该分析方法可以应用到许多其他形状的天线中，同时给出这些天线的阻抗特性的解析公式。

如今，双锥天线和它的变形天线如圆锥形天线、蝶形天线等仍然被广泛应用到UWB系统中。

1947年，在哈佛大学的美国辐射科学实验室正式规定了UWB天线的定义及概念。

这期间也提出了许多UWB天线，例如水滴形天线、套筒天线、梯形天线等。

50年代，提出了典型的非频变天线——螺旋天线。

其中等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线是最著名的两种螺旋天线。

1979年，Gibson 提出了一种按指数规律渐变的槽线天线，它是一些具有非周期结构连续逐渐变化的天线。

理论上，它有较大的带宽，这种天线是一种高增益、线极化，是具有随频率变化恒定增益的天线。

1982年，R. H. Duhamel发明了正弦天线，它结构紧凑、低轮廓而且频带宽。

它比螺旋天线要复杂，但它却可以提供相互正交的双线性极化。

所以，它可以作为极化分集天线或同时进行发送/接收操作天线。

自1992以来，发明了许多种单极子盘片天线。

盘片的形状有圆形、椭圆形和梯形等，他们用简单的结构提供了非常宽的带宽。

辐射单元被固定在一个矩形的接地板上，并且用同轴线馈电源。

单极子盘片天线是UWB天线中比较满意的天线。

1999年，发明了四面天线。

尽管它可能没有其他天线那么宽的带宽，但却有单向辐射、双线性极化和低轮廓等独特的优点。

国内大学在超宽带天线设计和理论研究领域中也作出了许多的贡献。

1.2 国内外研究动态在国内，微波领域的波导—同轴转换器有所发展,电气性能虽然没有国外的优良，但可广泛地应用在各种雷达、精密制导、电子对抗等系统以及各个微波频段的扫频测量装置中。

随着国外毫米波技术的迅速发展和军事上的需要，近几年正在开展同轴系统和元件的研制，从而亦开始研制开发如此配套和试验的各种转接元件，如8mm波导-同轴转换器。