方同轴特性的研究

谢 敏 雷国忠

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

同轴线作为一种性能优良的传输线，可以工作在直流乃至高频范围内。它不仅具有频带宽的优点，而且与微带线等平面传输线相比，损耗更小，被广泛应用于微波领域。

本文旨在寻求一种可以在6-18GHz 内传输大功率的传输线，以期在此基础上设计一种工作在该频段的大功率合成器。在众多传输线中，同轴线和脊波导均具有较宽的工作带宽，但是后者的主要缺点是击穿功率低。同轴线中常见的是圆同轴，在过去针对它的研究也已经相当深入［1］;相比之下，针对方同轴的研究虽然起步晚、涉及少，但是由于方同轴的填充介质为空气，损耗比圆同轴更小，同时因为正方形的结构形状，所以在加工难易度上比圆同轴更具优势。

综上，本文将通过计算、设计、仿真与实验，对方同轴在6-18GHz 内的传输特性进行研究，并得出最终结论。

1 方同轴基本理论

众所周知，同轴线传输TEM 波，色散低，频带宽且损耗小，兼顾了矩形波导与微带线等常见传输线的优点，根据内外导体形状的不同种类也不同，其中方同轴在以下两个方面比圆同轴具有优势:由于结构形状是正方形，因此加工更容易;内部填充介质为空气，因而比圆同轴损耗更小，可传输功率容量更大。它的横截面结构如下所示:

图1 多点定位监视系统的基本架构

1.1 特性阻抗

根据文献［2］，得到方同轴的特性阻抗计算公式如下:

1.2 衰减常数［2］

方同轴的衰减常数(m)计算公式如下:

1.3 功率容量

一般地，空气中的最大击穿场强［3］为

故当方同轴的填充介质为空气时，参见图(1)b，因为d1＜d2，因此最大传输功率(单位W)为:

1.4 高次模的截止波长

方同轴与圆同轴一样，主模是TEM 模，也存在TE 和TM 这样的高次模，过去已经有一些文献资料对其可能存在的高次模的截止波长进行了研究［4］，截止频率与内外导体尺寸比值有关，具体可参见下图:

图2 方同轴和圆同轴高次模的归一化截止波长

其中，实线代表方同轴，虚线代表圆同轴，分别为1-TE11模，2-TE21模，3-TE31模，4-TE41模，5-TM01模，6-TE01模和TM11模。从图中可以看出，离主模最近的高次模是TE10或者TE01模，下表给出了不同内外尺寸比值下TE10模的截止频率:

表1 a=1 时TE10模的截止波长

2 方同轴的设计

本文设计的方同轴内部填充空气介质，内导体镀银处理。考虑到一般同轴电缆的特性阻抗为50Ω，为了便于阻抗匹配，这里也按照50Ω 的特性阻抗进行设计，由公式(1)～(3)可计算得到，当Z0=50Ω 时，方同轴的内外尺寸比例为

由图2 可以看出，为了避免高次模的不良影响，方同轴在6 ～18GHz 内的波长应该大于TE10模的截止波长，同时参考表1，可知在内外边长比值为0.4 时，

计算可得a＜6.33mm，即在Z0=50Ω 时，方同轴的外导体边长应小于6.33mm。

实测中选择艾利特生产的SMA-KFD154 型号的连接器，综合考虑连接器尺寸，最终选取b=2.4mm，a=6mm 作为方同轴的内外导体尺寸，此时d1=1.8mm。

当同轴内导体材料为银时，表面电阻Rs=，由式(5)可知衰减系数与外导体边长成反比，即频率越高、外导体边长越小，衰减越大，同时可计算出本文设计的方同轴的理论衰减最大值为(NP/m)

对比特性阻抗同为50Ω、外径为6mm 的圆同轴，假设填充介质为空气介质时的计算结果［3］如下:

式(11)是在假设圆同轴的填充介质为空气介质，即介电常数ε=1 时推出的理论结果，实际中填充介质的介电常数ε＞1，衰减会更大，对比(10)、(11)，方同轴衰减更小，因而较圆同轴可传输功率容量更大。依据式(7)和式(8)，可计算出设计的方同轴的最大传输功率;

3 方同轴的仿真结果

本文利用Ansoft 公司的三维电磁仿真软件HFSS 对单根方同轴进行了建模仿真，设置同轴的长度为100mm。图3 和图4 是不考虑SMA 连接器的仿真结果，可以看出在6-18GHz 内，驻波小于1.10，插入损耗小于0.04dB。

图3 方同轴各端口驻波

图4 方同轴插入损耗

图5 和图6 是加上SMA 连接器后对方同轴仿真的结果，在6-18GHz 内，驻波小于1.60，插入损耗小于0.30dB。

图5 加上SMA 连接器后的方同轴驻波

图6 加上SMA 连接器后的方同轴插入损耗

4 方同轴的实测结果

最终的单根方同轴传输线实物如图7所示，实验中用到的测试仪器为安捷伦公司的矢量网络分析仪N5244A，测试结果如图8所示。

图7 方同轴实物图

图8 方同轴实测结果

实测结果显示，在6-18GHz 内，插入损耗小于0.54dB，两个端口的驻波小于1.60，即图8(a)、(b)与图5、图6 的仿真结果基本一致，这是由于方同轴与SMA 连接器存在不连续性造成的。综上，可以认定方同轴在6-18GHz 内的传输性能良好，能够在此基础上进一步研究大功率合成器的实现方法。

5 结论

方同轴作为传输线的一种，具有频带宽、功率容量大的优点，且与圆同轴相比加工更为简便，本文通过研究、设计、仿真、实测，验证了方同轴在6-18GHz 内传输性能良好，可以以此进一步进行6-18GHz 内大功率合成器的研究。

［1］李宗谦，佘京兆，高葆新.微波工程基础［M］.北京，清华大学出版社，2004.

［2］Lau.K.H.Loss Calculations for Rectangular Coaxial Lines.IEE Proceeding H，Microwaves，Antennas and Propagation，1988，Vol.135(3):207-209.

［3］梁昌洪，谢拥军，官伯然.简明微波［M］.北京，高等教育出版社，2006.

［4］L.Gruner.Higher.Order Modes in Square Coaxial Lines.IEEE Transanctions on Microwave Theory and Techniques，1983，Vol.31(9):770-772.

［5］王文祥.微波工程技术(第二版)［M］.北京:国防工业出版社，2014.