Ku频段小型化波导旋转关节设计

张宁宁，邓方艺，杨丽娜

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009)

0 引言

旋转关节作为传统机械扫描雷达天线与发射机的重要连接部件,可分为同轴型[1-2]和波导型[3]两类，波导型功率容量明显优于同轴型，且损耗低，对提升雷达系统的发射功率有重要意义。然而弹载等应用环境，由于空间尺寸受限，波导旋转关节的小型化设计成为难点。

为实现旋转关节结构小型化，文中采用窄边尺寸大比例压缩矩形波导(简称“压缩波导”)进行旋转关节的电磁波传输。矩形波导常用模式变换结构可通过采用增加滤波筒[4-6]、圆环、模式变换短路块[5]、长圆形的TE11模抑制沟槽[7-8]等方法来实现。不同的模式转换结构决定了旋转关节的尺寸以及其工程化实现方式。旋转关节输入输出端口均采用压缩波导，分别对滤波筒结构、模式变换短路块结构、长圆形的TE11模抑制沟槽结构进行设计仿真验证。在采用压缩波导的前提下，文中探索研究一种小型化且易于工程化实现的矩形波导到圆波导的模式转换结构，并在此基础上完成二维波导旋转关节的设计。

1 波导旋转关节的设计理论

1.1 波导旋转关节的设计参数选择

根据小型化设计需求，设计了一个Ku频段二维压缩波导旋转关节。一维波导旋转关节由两端的输入、输出压缩矩形波导、模式变换块、中间的圆波导组成。模式变换块结构位于波导中，可有效缩小旋转关节的体积。压缩波导选取的口径尺寸为13 mm×2 mm，圆波导的半径在保证TM01模正常传输条件下采用最小化原则进行选取，满足旋转关节的小型化设计需求。

传输模式的截止波长分布情况如图1所示。TE11模是圆波导的主模，具有最长的截止波长，但由于存在极化简并，难于实现单模传输[9]。TM01模不存在极化简并，其场分布具有轴对称特性，如图2所示，磁场分布只有周向分量，面电流只有纵向分量，因此常将该模式作为旋转关节中的工作模式。但因TM01模不是圆波导的主模，它的主模是TE11模，所以旋转关节的设计需要抑制TE11模。

图1 圆波导中传输模式的截止波长分布图

图2 圆波导中的TM01模的电磁场结构分布

由图1可知，旋转关节工作波长为λ时，则圆波导半径R选择应满足：λ/2.61

1.2 经典模式变换结构

1.2.1 滤波筒结构

滤波筒结构示意图如图3所示，若工作频率确定，可以通过选择圆波导的半径来传输TM01模同时抑制某些模式的传输。根据TE11模与TM01模在短路面中波导波长的不同，选取短路面部分的直径稍小于圆波导的直径，调整短路面部分的长度，使得短路面长度既等于TE11波导波长的3/4，又等于TM01波导波长的1/2，此时TE11的短路线的输入阻抗为无穷大，TM01的短路线的输入阻抗为0，因此该结构可将TE11模完全反射，而让TM01模顺利通过，从而达到消除TE11模的目的。

图3 滤波筒模式变换结构

滤波筒的尺寸大小决定了旋转关节的高度尺寸。该结构具有旋转相位稳定和耐高功率等特性。经仿真验证，该结构既可适用于标准波导，亦可适用于窄边大比例压缩波导。

1.2.2 模式变换短路块结构

模式变换短路块结构如图4所示。短路块的厚度选取应保证在矩形波导到圆波导连接位置处，矩形波导输入波在圆波导中心的相位与传输到短路块的反射波达到圆波导中心的相位相同。圆波导的高度也会一定程度影响旋转关节的模式抑制情况。

图4 模式变换短路块结构

该结构中短路块位于圆波导中，因此可以有效缩小旋转关节体积。但矩形波导采用窄边大尺寸压缩波导时，经过仿真验证，该结构不适用，无法有效抑制TE11模，传输TM01模。

1.2.3 长圆形的抑制沟槽结构

长圆形的抑制沟槽结构如图5～图6所示。长圆形的模式抑制沟槽对称分布在圆波导径向方向，长度为波导中传输电磁波波长的1/2或者波长的1/2的整数倍。矩形波导的一端为短路面结构，形成短路反射。两个结构结合起来形成长圆形的TE11模抑制沟槽结构。可通过优化短路面的长度、长圆形的抑制沟槽的长度、高度等来抑制TE11模，传输TM01模。

图5 长圆形的抑制沟槽模式变换结构(侧视图)

图6 长圆形TE11模抑制沟槽模式变换结构(俯视图)

经过仿真验证,该结构对矩形波导适用，不适用于窄边大比例压缩波导。

1.3 模式变换结构改进设计

对体积较小的模式变换短路块结构进行改进设计，得到一种新颖的小型化压缩波导到圆波导的模式变化结构，如图7所示。该结构由压缩波导、压缩波导短路面、圆波导、圆波导中模式变换短路块4个部分组成。主要通过调节压缩矩形波导中短路面的尺寸,模式变换短路块的深度和高度来有效抑制TE11模，传输TM01模。

模式变换短路块和压缩波导短路面均位于波导中，不占用额外的空间，该结构可以有效缩小旋转关节的体积，达到旋转关节的小型化设计要求，且结构简单，易于工程化实现。

2 波导旋转关节的设计仿真优化

2.1 一维波导旋转关节的设计仿真优化

一维波导旋转关节采用Ansoft HFSS软件进行仿真设计优化。首先对其模式变换结构进行设计仿真，仿真模型如图8所示，在圆波导端口设置3种模式积分线(TE11模1以及其极化简并模2、 TM01模3)分别对压缩波导的短路面长度、模式变换块的高度以及深度尺寸进行优化，最终根据压缩波导到圆波导端口模式1和模式2的抑制情况、模式3传输情况选取最优设计仿真参数。

图8 模式变换结构仿真模型

在模式变换结构最优参数基础上，增加调谐窗，调节波导端口驻波，进行一维波导旋转关节最终仿真模型的建立。一维波导旋转关节仿真模型如图9所示，其中位于圆波导两端的压缩波导的输入端口与输出端口互相垂直。

图9 一维波导旋转关节仿真模型

一维波导旋转关节旋转角度范围为±60°，端口驻波仿真结果如图10所示，两端口之间插入损耗仿真结果如图11所示。由仿真结果可得，端口电压驻波比VSWR≤1.2时，带宽为0.9 GHz，对应工作带宽内旋转关节的插入损耗S12≤0.034 dB。

图10 一维波导旋转关节端口驻波仿真结果

图11 旋转关节两端口之间插入损耗仿真结果

2.2 二维旋转关节设计仿真优化

将以上仿真设计的两个一维旋转关节按照需求位置和角度放置，并通过过渡波导连接，形成二维波导旋转关节如图12所示。旋转关节的扼流槽设计比较成熟，不再赘述，可根据自身结构需求选择适合的扼流槽结构形式。文中二维旋转关节最终仿真结果如图13～图14所示。在两个端口同时旋转的情况下，旋转角度范围均为±60°，其VSWR≤1.2时，带宽为0.7 GHz，该范围内插入损耗S12≤0.17 dB。

图13 二维旋转关节端口驻波仿真结果

图14 二维旋转关节两端口之间插入损耗仿真结果

3 结论

文中提出一种新颖的矩形波导到圆波导的模式变换结构，结构简单且易于工程化实现。采用Ansoft HFSS软件对此模式变换结构进行仿真，结果表明:以此新模式变换结构为基础设计的小型化二维波导旋转关节，在0.7 GHz的宽频带范围，±60°旋转角度内实现了较优的端口驻波以及插入损耗性能。