一种X波段同轴-扁波导变换器的设计

刘少辉

(华东电子工程研究所 合肥 230088)

1 引言

同轴波导变换器用来实现同轴传输线与波导传输线之间的微波模式变换及能量传输，一般的同轴波导变换器所用波导均为标准波导，而本文阐述的同轴-扁波导变换器，根据工程需要，波导部分选用的是非标准扁波导，波导口径为63.5mm×10.16mm(注:X波段的标准波导口径为22.86mm×10.16mm)，在X波段，该口径波导甚至可以传输最高TE30高次模，因此该同轴-扁波导变换器的难点就在于高次模的抑制。

2 基本原理

同轴波导变换器的原理大同小异，一般两种情况:第一种是探针电激励，第二种是小环磁激励。激励的结果都是在波导的主模电磁场分布的相应位置产生交变的电场或者磁场，由激励方式决定。本文设计的端射式波导同轴变换器，选用小环磁激励。图1所示，同轴线内导体在波导内部与波导宽面采用阶梯块连接，外导体在端面与波导外壳连接，相当于形成了一个小的环型天线，激发起波导传输线主模式TE10对应的交变磁场。

图1 内部结构示意图

3 模式分析

该变换器使用的波导口径尺寸为63.5mm×10.16mm，由截止频率计算公式，得到最初的几个模式截止频率见表1。

表1 扁波导模式及对应截止频率

表1可见，所选波导口径除传输TE10主模外，还可传输TE20、TE30模式，因此，要想方设法抑制高次模式在波导中的传输，或者在模式耦合时就抑制其产生。

4 电讯设计及性能优化

4.1 耦合形式

同轴线内导体与波导宽面之间采用阶梯形连接形式，利用阶梯渐变阻抗过渡，实现优良性能，该形式在带宽和小驻波方面很有优势。

4.2 梯形匹配块及高次模抑制

图2 加载梯形匹配块之前，电场分布图

对标准波导，在规定传输频段内，不存在高次模，不需要外加匹配就能实现单模传输。而对本文采用的非标准波导形式，因为TE20、TE30模式的存在，若无其他匹配措施，则耦合时激发的模式混乱，主模能量损失较大，中心频率点电场分布见图2所示。实际工程设计中，本着模式渐变的思想，在耦合段增加了两个金属梯形匹配块，以求实现平稳的模式耦合过渡，达到抑制高次模的目的。通过该两块金属梯形匹配块，针对微波交变磁场分布特点，对高次模式的磁场分布进行波形压缩，使磁场趋于主模分布，并经过适当优化，实现了预想的性能，中心频率点电场分布见图3所示。

对于同轴-扁波导变换器，本文所述的渐变压缩磁场分布的设计思想，与传统的设计方法是不同的。传统的设计是先从同轴线过渡到标准波导，然后再通过梯形波导过渡到非标准扁波导，两个变换的过程是分离的，其中，梯形过渡波导部分会使变换器的长度显著增加，见图5。而本文的设计思想及设计结果却能有效减小变换器的长度，在9.3～10.9GHz频带内，驻波小于1.2，相对带宽为15.8%，器件长度仅为50mm。而对于一种同频段、同样接口形式、指标相近的传统设计形式的端射式同轴-扁波导变换器，其器件长度为135mm。对比可见，本文设计形式新颖，较传统设计方法，使得同轴-扁波导变换器的长度有效降低。

图5 同轴-扁波导变换器的传统设计思路结构示意图(俯视图)

图7 损耗曲线(2只对接测试)

4.3 其他问题

同轴连接器内导体与阶梯块之间的连接需考虑电容补偿，波导端口注意预留耦合区域空间，通过计算机仿真优化即可实现。

5 实验验证

根据理论计算和仿真优化结果，加工了样件。对样件进行测试，并对梯形匹配块稍作调整，得到了良好的实验结果，如图6、图7所示，在1.6GHz的带宽内可实现驻波小于1.2，两只变换器对接损耗优于－0.36dB，与仿真结果也比较吻合。实验证明，在扁波导情况下，本文阐述的渐变压缩磁场分布的思路和实现方法是可行的，优点在于改善了器件性能，能有效减小器件的长度。

图6 驻波曲线

6 结语

本文设计的同轴-扁波导变换器，同轴线模式向波导模式转换的同时，通过加载梯形匹配块实现对高次模式的抑制，取得了良好的效果，在保证器件性能的同时，使器件的长度有效降低，有利于满足某些小型化工程的需要。目前，该设计已成功申请实用新型专利，专利号ZL200820039444.6。

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