一种新型的同轴波导电缆组件的研制

张翠

一种新型的同轴波导电缆组件的研制

张翠

本文介绍了一种高性能波导电缆组件的设计及HFSS仿真。详细阐述将电缆内导体直接插入同轴谐振腔内进行调配,通过调节短路活塞在波导谐振腔内的位置和λ0/4同轴调谐器在同轴谐振腔内的位置,可实现小电压驻波比、低损耗、结构稳定可靠等优异的技术性能,并给出了实测数据。

组件的结构

同轴波导电缆组件是由两个波导电缆接头和同轴电缆耦合组成，其结构如图1所示。波导电缆接头是由同轴谐振腔、短路活塞、λ0/4同轴调谐器和波导谐振腔等组成，其结构如图2所示。

图1 同轴波导电缆组件的结构

图2 波导电缆接头的结构

特性阻抗匹配和模式转换

由于设计的波导是单模传输的,所有高次模都被截止，只有TE10模传输。电缆内导体TEM模的场具有储能特性,它们同波导工作模式TE10进行能量耦合,相当于在电缆内导体处给矩形波导引入了一个电抗(或电纳) 分量,通过调整电缆内导体在同轴谐振腔里的位置(即改变λ0/4同轴调谐器在同轴谐振腔里的位置) 和改变短路活塞在波导谐振腔里的位置,使电磁能量全部进入波导谐振腔内,消除反射波,实现同轴电缆TEM模与波导TE10模之间的转换。

λ0/4同轴调谐器

λ0/4同轴调谐器一端短路,另一端开路，它的工作模式是TEM波，具有场结构稳定、频带宽等特点。调节λ0/4同轴调谐器在同轴谐振腔内的位置,即调节λ0/4同轴调谐器的长度,以激励起TEM 模后,电磁波在腔中来回反射形成驻波。λ0/4同轴调谐器的长度l =λ0(2n-1)/4 ,其中n =1，2 ,3 ,......。当n=1时,λ0=4l，为最低次振荡模式的谐振波长,它不是唯一的,可以周期性地出现。可见，改变λ0/4同轴调谐器在同轴谐振腔的位置就可以改变谐振波长。λ0/4同轴调谐器内径D和电缆内导体直径d的选择必须保证同轴谐振腔只能有TE10模传输,且要有较高的空载品质因数Q0值,其Q0值为:

式中l为λ0/4同轴调谐器在同轴谐振腔里的位置长度,是λ0/4的奇数倍；D为λ0/ 4 同轴调谐器内径；d为同轴电缆内导体直径；λ0为自由空间的波长；δ为趋肤深度。

当D/d=3.6时,Q0值最大,实际上在2.5 ≤D/d≤6之间变动时,Q0值变化不大。为了避免产生高次模,应满足π( D + d)/ 2 <λ0。根据计算和实践经验,λ0/4同轴调谐器的D/d =4 时为最佳。

建模和仿真

由于受加工质量、装配、调试等多道工序的影响,实际产品的调试结果是有差异的。为了提高设计可行性，缩短试制周期,提高设计效率,我们利用Ansoft HFSS软件建立三维模型进行高频性能的优化，如图3所示。

根据建立的模型,对理论计算的近似尺寸进行仿真并调整。VSWR仿真结果如图4所示,VSWR是以波腹、波节相间的波形分布的,在节、腹之间作余弦变化,可见该曲线是比较理想的。

图3 仿真三维模型

图4 仿真结果

实验结果

同轴波导电缆组件的测试结果如表1所示,此组件具有低损耗、小电压驻波比和稳定性好的特点,且VSWR优于俄罗斯同类产品。

此同轴波导电缆组件具有损耗小、电压驻波比小、结构稳定可靠和电缆柔软的特点。该组件工艺成熟，已批量生产和在实际中应用。该产品的研制对相同系列不同频段产品的开发具有借鉴作用。

（作者单位：西安艾力特电子实业有限公司）