过模同轴-2路矩形波导功分器的设计与实验

张健穹,刘庆想,李相强,梁　源,门满洲

(西南交通大学物理科学与技术学院,四川 成都 610031)

功分器是一种常见的微波器件,在微波各频段都有广泛的使用,根据应用需求的不同实现方式和性能也有一定差异[1].根据使用传输线不同,有平面式[2-3]和波导式[4-5]等,近年来研究较为火热的手征材料也有见在其中应用并获得新的成果[6].对于应用于高功率微波的功分器,在实现高传输效率的同时还应具备对高功率微波源输出模式的功率分配和具有较高的功率容量.

过模同轴波导是一种常用的高功率微波源输出结构,输出模式通常为旋转对称的TEM (transverse electromagnetic mode)模[7]或者TM01模[8].目前,国内外学者对同轴波导到矩形波导的功分器已开展了相关研究.Bialkowski等提出的1分N路功分器[9],微波由同轴输入后经过径向线结构的过渡,再由N路矩形波导输出,该功分器的内部结构采用介质固定,影响了功率容量的提高.余川等研究了一种同轴TEM-矩形TE10模式变换器[10],可实现2/4路矩形波导输出,同轴波导内导体贯穿了矩形波导的上表面,形成了一个短路壁,用于调节匹配,该结构不需要引入介质进行固定,适用于高功率微波应用,但该结构的入口同轴波导为非过模同轴波导,在过模条件下无法实现2路矩形波导输出.吴峰涛等对同轴波导到2/4路同轴波导的高功率超宽带功率分配器[11]进行了研究,采用多个同轴波导相互铰链结构,可实现由同轴波导输入,直接转换为2/4路同轴波导输出的功率分配形式,但该技术方案没有明确输入同轴波导是否适用于过模同轴波导,且由同轴波导进行传输相对矩形波导而言会产生更大的损耗.文献[12]研究了一种同轴波导到16路矩形波导功率分配器,实现了各端口的等路径等幅同相输出并满足高功率应用需求,但该功分器方案不能实现两路矩形波导输出.文献[13]提出了一种新型的同轴波导到两路矩形波导功分器,可以实现过模同轴波导的TEM模到两路矩形波导TE10模的转换,此结构采用双层十字交叉杆结构抑制高阶模式,内部结构较复杂,功率容量不高.

在这一背景下,本文研究了一种可用于高功率微波场合的过模同轴波导-两路矩形波导功分器,通过对功分器中传输模式的理论分析,采用4路对称输出的形式抑制了高阶模式;然后通过矩形波导转弯结构和HT分支结构等进行级联实现两路矩形波导输出;最后对该功分器进行了设计和实验验证.

1　基本原理

高功率过模同轴波导-两路矩形波导功分器结构如图1所示,其工作原理是微波以TEM模式由同轴波导输入,通过模式转换节进行模式转换后输出为4路矩形波导的TE10模,经过矩形波导转弯结构和H-T (magnetic surface T-type waveguide)分支结构级联将四路矩形波导合成为TE10模输出的两路矩形波导.

该功分器主要由同轴-4路矩形波导、矩形波导转弯和H-T分支构成,其中同轴-4路矩形波导[4]可以抑制过模同轴波导中的高阶模产生,无需引入其它高阶模抑制结构,避免了文献[6]中高阶模抑制结构引起的场强集中问题.此外,矩形波导转弯结构和H-T分支结构采用渐变过渡方式,不易引起场强的集中.

图1　结构示意Fig.1　Structure diagram

2　理论分析与仿真设计

2.1　理论分析

同轴-4路矩形波导具有3个面的对称性,即xOz、yOz和xOz绕z轴旋转45°形成的面.当同轴波导输入具有旋转对称场结构的TEM模时,激励出模式的场结构也一定具有以上3个面的对称性,且由于采用4路输出,在输入同轴波导内可以产生的最低阶反射模式为TE41模,而TE11、TE21、TE31等模式不具有这种对称性.因此在同轴波导对TE41模式截止的条件下,其激励出的可传输模式只有TEM模,同时在4个矩形臂中可产生等幅同相的TE10模[7].此外,在矩形波导转弯结构和H-T分支结构均采用标准矩形波导,其结构尺寸满足单模传输条件,进而可保证功分器的TE10模式输出.

同轴波导中TEm1模式的截止波长[7]可表示为

λc=π(b+a)/m,m=1,2,…，

(1)

式中：b、a分别为波导的内、外半径.

在中心频率为2.88 GHz时,取同轴波导的内外径尺寸分别为21 mm和49 mm,由式(1)得到TE11、TE21和TE31的截止波长分别为1.4、2.7 GHz和3.9 GHz,即对TE41模式截止,理论上满足抑制高阶模式反射的要求.

2.2　仿真计算

通过时域有限积分法对同轴波导-4路矩形波导进行了仿真设计,通过改变转换节、倒角半径等参数[5]得到S参数曲线,如图2所示.该结构在2.7～3.0 GHz频带内匹配特性良好,且具有较好的功率分配特性.输入同轴波导处仅存在TEM模的反射,可实现对高阶模式的抑制.

对矩形转弯波导和H-T分支进行了设计,S参数曲线分别如图3和图4所示.该结构在频带内匹配特性良好,可实现较高的传输效率.

图2　同轴-4路矩形波导S参数曲线Fig.2　S-parameter curve of coaxial to four-way rectangular WG

图3　矩形波导转弯S参数曲线Fig.3　S-parameter curve of rectangular bent WG

图4　H-T分支S参数曲线Fig.4　S-parameter curve of H-T branch

将上述各元件进行级联,并适当地调节结构参数,仿真计算得到了同轴波导-2路矩形波导功分器的S参数曲线和内部场分布情况,如图5所示.

从图5结果表明:该功分器在中心频率为2.88 GHz下反射系数为0.04,对应的同轴波导TEM模到矩形波导TE10模转换效率为99.1%;在2.80～2.96 GHz的频带内反射系数小于0.1;器件内部的最大场强为473 V/m,若真空中的击穿场强按Kilpatrick准则[8]计算,其功率容量为4.52 GW,与文献[6]相比提高了一倍多.

(b) 场分布图5　功分器仿真计算结果Fig.5　Simulation result of power divider

3　实验测试

基于上述设计结果,对该功分器进行实验测试,实物模型如图6所示,主要特性测试结果如图7所示.

图6　功分器实物Fig.6　Photograph of the power divider

(a)驻波曲线(b)端口1传输曲线(c)端口2传输曲线图7　功分器测试结果Fig．7　Testresultsofpowerdivider

由图7的测试结果可以得到:在频点2.88 GHz处的驻波比为1.04,损耗约0.15 dB,与仿真结果相比略有增加;由于实际加工的不对称性引起的输出不平衡度为0.15 dB;在2.85～2.91 GHz频带内驻波比最大值为1.17,与仿真结果相比基本一致.

4　结　论

本文研究了一种高功率过模同轴波导-2路矩形波导功分器,可实现由过模同轴波导TEM模到矩形波导TE10模的两路等幅同相输出.为了实现功分器的高效率传输,抑制高阶模式的反射,本文采用了将同轴波导模式先分为4路矩形波导,再合成为2路矩形波导的技术方案,设计过程中尽量实现结构尺寸的紧凑化,并基于时域有限积分法对其进行了设计和优化,最后通过实验验证了该功分器的可行性.该功分器具有结构简单、高传输效率和高功率容量的特点,适用于高功率微波馈线系统中的功率分配.

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