宽带双脊波导-同轴转换器的仿真设计

2021-10-25 03:42武欢欢
信息记录材料 2021年10期
关键词:矩形波导特性阻抗阻抗匹配

武欢欢

(陕西国防工业职业技术学院 陕西 西安 710300)

1 引言

波导-同轴转换器是雷达系统、精确制导系统和微波测试系统中极其重要的无源连接器件[1],为适应宽带系统的应用需求,宽带波导同轴转换器也被广泛地设计研究[2]。脊波导就是在矩形波导宽边中心处向内突出,它其实是矩形波导的一种变形结构,相对于矩形波导而言,脊波导具有工作频带宽、等效特性阻抗低、尺寸小的特性[3]。双脊波导相对于矩形波导而言具有更宽的单模工作带宽和更低的特性阻抗。基于脊波导的上述特性,设计了一种宽带双脊波导到同轴的转换器。

同轴波导转换器将同轴的内导体插入波导腔体中,同轴的内导体在波导中相当于一个探针,该探针会将同轴线传输的能量经过探针头部辐射出去,在波导中激励起的电磁场就会完成探针和波导间的能量交换[4]。在波导中,探针的插入会引起不连续性,进而产生无穷多的高次模,而波导中只能传输主模,不能传输的高次模会聚集在探针的周围产生电抗效应,通过双脊结构引入阶梯匹配结构以及调整探针插入的位置可以在很大程度上抵消高次模引入的电抗[5]。

目前,同轴-波导转换接头探针的插入方式有两种,一种是直插式结构,另一种为后馈式结构,直插式的分析方法主要是模式匹配思想,这种直插式的结构输入端口与输出端口不在一条水平线上,结构不够紧凑,也不利于系统间的级联。本文设计的同轴波导转换器采用后馈式结构,其同轴线的输入端口与波导输出端口处于同一水平线上,有利于系统间的级联[6]。

同轴-波导转换主要是模式转换和阻抗匹配,同轴线传输的是TEM波,脊波导的主模是TE10模,而同轴波导转换器要实现的是从同轴线TEM到波导的TE10模之间的转换,而标准同轴的特性阻抗是50 Ω,波导的特性阻抗大于120 Ω,而同轴波导的阻抗匹配就是从同轴线的50 Ω到波导的高阻抗之间进行匹配[7]。本文中转换器的设计思路是:采用同轴探针从矩形波导后壁插入波导腔体内的方式,引入一同轴探针耦合,在矩形波导中激励起电磁场,从而将同轴传输线中传输微波功率导向到波导中,但直接导入会由于端口的不匹配产生很大的反射,所以在波导中再通过多节阶梯阻抗变换器来调节波导阻抗值,以减小反射量,并让矩形波导与同轴线阻抗值达到匹配,实现信号的较小损耗传输。矩形波导部分采用标准波导,通过在波导腔体内加入阶梯阻抗匹配器来达到匹配的效果,同轴部分采用SMA型接头。

2 宽带双脊波导-同轴转换器的仿真设计

通过对单脊波导-同轴转换器的研究发现,这种结构的转换器,其带宽依然没有达到预期效果。由于标准的同轴线的阻抗很低,而波导的阻抗值又比较高,要想扩宽单脊波导-同轴转换接头的匹配带宽,就必须通过增加多节阻抗变换器的支节数,但考虑到整个器件的物理尺寸,增加台阶数并不是一种最优的解决途径。考虑在不改变整体外形尺寸的情况下,更好地解决阻抗匹配的问题,采用阶梯阻抗匹配与波导上表面加脊的方式来调节阻抗匹配,使其能够引入更多改变矩形波导阻抗值的因素,使调节匹配的途径更多,实现更宽频带的阻抗匹配[2]。

为了验证设计方案,在HFSS中建立了仿真模型,其中同轴线的特性阻抗设置为50 Ω。通过查阅资料可以得出:同轴探针的输入阻抗与探针的直径,探针插入腔体的长度以及频率都存在关系[5]。因此,调节探针的插入深度和探针直径,也能在同轴-波导转换器的匹配过程中起到微调的作用,使其在较宽的频带范围内,保持较小的损耗。为了简化设计的复杂度,便于系统间的级联,本设计采用SMA同轴接头,确定了SMA同轴接头的型号就无法改变探针的直径,故只对探针插入波导腔体的长度进行调节,采用软件进行优化,观察插入长度对于匹配程度的影响,从而确定最优的插入波导腔体的长度。

具体设计参数如下:其中,第1台阶的高度为5 mm,长度为4.8 mm,宽为2 mm;第2台阶高为4.3 mm,长为3.6 mm,宽为2 mm;第3台阶高为3.2mm,长为3.7 mm,宽为2 mm;第4台阶高为1.5 mm,长为3.7 mm,宽为2 mm;激励探针的长度为2.2 mm,台阶距离同轴到波导的交接面处的距离为2 mm,矩形波导的长宽高分别是18 mm、15.8 mm、7.9 mm。见图1。

图1 双脊波导-同轴转换器结构示意图

设计先通过理论计算得出一个最初的模型尺寸,然后通过HFSS仿真软件进行优化调试,使匹配达到最优。最终得到的仿真结果,在12.6 GHz~16.6 GHz频段范围内,S11<-20 dB,带内波动大,并不适用于对带内波动要求较高的系统;S22仿真数据与S11基本一致,其中S22<-20 dB的带宽为12.6 GHz~16.7 GHz,同样带内波动比较明显,接近中心频率的地方出现明显的反射波增强的现象;12.6 GHz~16.8 GHz频带范围内小于0.07 dB,传输损耗较小。

根据仿真模型尺寸进行实物加工,加工材料选用黄铜,完成后在表面进行镀金处理。输入端为SMA接头,输出端口为标准波导。整个转换接头的长度为28 mm。见图2。

图2 双脊波导-同轴转换器实物图

对加工制作完成的转换接头采用安捷伦矢量网络分析仪进行实物测试。测试采用两个转换接头对接的方法,测试端口的回波损耗。端口的回波损耗测试结果见图3。结果显示:在整个工作频段范围内转换接头的性能良好,但在14 GHz~16 GHz频带范围内输入端的损耗增大,器件性能恶化。从图中可得出:回波损耗整体都保持在-15 dB以下,与仿真结果存在一定误差。经过分析产生这些偏差的最主要因素有以下几点:(1)在大量仿真优化中发现,耦合探针的粗细,长度以及在波导中的位置都会对仿真结果出现较大影响,当探针过粗的时候甚至会出现全反射的情况[5]。而在实物加工过程中,探针的插入深度由于工差的存在,使得实测结果存在一定的偏差;(2)仿真优化过程中,还发现阶梯的高度对于同轴-波导的转换器的性能影响也比较大,而阶梯以及上表面单脊均采用导电胶粘贴,所以导电胶粘贴所致的阶梯高度整体抬高以及台阶的粘贴位置的定位精准程度等都是导致仿真与实测结果产生较大差距的原因。为了将误差降低,可通过使用更为精密的仪器进行加工,但是这样也会增加加工制造的成本。或者可将器件沿着波导的窄边轴线进行剖分,分为两部分进行加工,之后再将波导两部分采用螺钉固定在一起,这样就能避免由于导电胶粘贴而导致的阶梯整体高度增加以及阶梯粘贴定位精准的问题。

图3 实物测试结果

3 结语

本文分析了脊波导同轴转换器的工作原理以及匹配方法,对双脊同轴-波导转换器进行了研究。在HFSS中建模仿真,通过调节阶梯的高度以及探针插入的深度进行优化,最终实现了良好的匹配,经过仿真验证了这种转换器可实现宽频带的波导与同轴的转换。但双脊波导-同轴转换器对于加工工艺难度以及精度要求都非常高,导致实物与仿真结果存在偏差,本文对产生误差的原因进行了分析并提出了可行的改进方法。

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