小型气密矩形波导-同轴转换器的研制

第38卷第2期(总第148期) 2009年6月 火控雷达技术 FireControlRadarTechnology V01．38No．2(Serise148) June2I∞19 文章编号：1008-8652(2009)02-093-04 小型气密矩形波导一同轴转换器的研制 王 洁 崔 敏 雷国忠 (西安电子工程研究所 西安710100) 【摘要】研究了一种新型小型化气密矩形波导一同轴转换器的工作原理及结构特性，借助HFSS微波 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 仿真软件进行了建模仿真，并在此基础上制作了转换器样件。实测结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明该样件的插入损 耗小于0．5dB、驻波系数小于1．3，达到了预期指标，满足工程应用的要求。 关键词：波导同轴转换；小型；气密 中图分类号：TN81 文献标识码：A DevelopmentofaMiniaturizedAir-tightnessRectangularWaveguide-coaxialConverter WangJie，CuiMin，kiGuozhong (Xi’artElectronicEngineeringResearchInstitute，Xi’art710100) Abstract：Theoperationprincipleandstructurecharacteristicsofanovelminiaturizedair—tightnessrectangular waveguidecoaxialconverterisstudied，whichismodeledandsimulatedbywayofHFSSmicrowavedesignsimula- tingsoftware．Onbasisofthis，asampledeviceismade．Themeasuredresultshowsthattheinsertionlossofthis deviceislessthan0．5dB，itsstandingwavefactorislessthan1．3，andtheexpectedspecificationisreachedand therequirementofmeetingengineeringapplicationcanbesatisfied． Keywords：waveguidecoaxialconversion；miniaturization；air—tightness 1 引言 波导-同轴转换器是微波测量、微波设备、微波 系统和微波工程中不可缺少的器件。其转换形式主 要有：鳍线过渡转换、脊波导转换、小孔耦合、探针耦 合等⋯。目前，同轴探针耦合是应用较为广泛的一 种转换形式。 关于同轴探针在矩形波导中的激励问题，已有 相当多的研究。Lewin[2l、Collin⋯、Harrington【41等 人分别用Green函数法，等效电路法进行了分析。 近期，人们用矩量法对大探针时的电流分布进行了 分析，还有有限元法等，都对矩形波导的激励情况给 出了更为精确的结果。 本文在用等效电路法分析单探针激励矩形波导 的基础上，研究了一种具有小型化、气密性的探针激 励矩形波导，并对这种激励结构的矩形波导-同轴转 换器在HFSS中完成了仿真验证，试验样件的制作 调试结果与仿真结果一致，验证了该小型化气密矩 形波导．同轴转换器的正确性。 2单探针激励波导 单个同轴探针激励矩形波导的电场如图l所 示。在矩形波导内，波导宽边为n，窄边为6，同轴探 针由波导E面探入，伸人波导部分的高度是h，短路 面到同轴探针的距离是d。由于同轴中的TEM波 进入了波导区域，所以电场变成了如图2的形状。 收稿日期：2009一02—23 作者简介：壬沽，女。1983年生，助理丁程师(硕士)。研究方向为收发组件。 图1 单探针激励波导正视图 万方数据 火控雷达技术 第38卷 图2 单探针激励波导侧视图 短 路 面 采用R．F．Harrington的等效电路法来进行研 究，令探针放置的位置在z=0的波导截面上，探针 与Y轴的距离为z，同轴探针激励的模型及其等效电 路如图3、图4所示。 图3单探针激励模型 图4单探针激励等效电路 Z一 从平面z=0来看，z+和Z一分别是+三和一z方 向矩形波导的输入阻抗，x是存在于探针附近的高 次模的电抗。一般的波导系统中，在激励起的模式 里面，如果有一种模式能够传播，并且终端器小是太 靠近同轴接头时，除j-i=0以外，所有的互都虚 数，而且所有的厂，都等于零。于是，根据Harrington 的稳定阻抗公式，探针的输入阻抗为： 弘凡2zo(蔷+1+-Rto，I+jx= nz晏冬+jx (1， zj+zi 、’ 式中： 毒(堡H。出)2 jx=孬12。：私(盯¨。出)2 磊=磊等=磊 ㈩ zo确篙=jZotan(删(5) 扁是第i=0模的传播常数。式(1)是图4的等 效电路的公式。 根据CoUin的假设，如果探针相对于波导较细， 那么探针上的电流可以近似地认为是正弦分布 的‘3l，并且，可以用丝状电流来表示。所以，在z=0 的横截面上的电流可写为： ，(名，)，)：Iu，losin忌(^一y)占(z一2)，o≤，，≤^(6) tO，Y>h k是自由空问的波数，如前假设，在细探针上的 电流可以用电流丝表示，即 ^(算，，，)：plosin后(^一y)艿(石一伽影≤^(7) tO，Y>h 则探针的输入电流为： L=losinkh (8) 在矩形波导中，主模TE。。模的归一化模式矢量 e等为： TE|2．丽x elo2“√历81ni 则 n：务。n似㈣Ⅲ川汹争 得 n2=蔬2sin2警tan2(后h2)n2蔬8mi协nI后J 这里，只计算输入阻抗中的电阻部分。 ％=n2如却。d=i2万ZⅡ_Zo。sin2-警tan2(磅)sin2风d(9) 从式(9)可知只要适当地选择h、d、l的尺寸使 (2) 转换器在工作频段内的输人阻抗的电阻部分等于或 接近于同轴线的特性阻抗，而输入阻抗的电抗部分 随频率变化为零或随频率变化最小，那么就能的得 (3) 到较低的插入损耗和较好的驻波系数。 这种激励方式理论上不切断波导内的电流线， 万方数据 第2期 王 洁等：小型气密矩形波导一同轴转换器的研制 可以最大的激励波导内的电场，实现能晕的耦合传 输，性能相对较好¨j。但由于结构上的原因，这种 方式不能实现波导U输出方向与微带电路输ff{的同 轴接口在一个平面上，无法满足转换器小型化的要 求，并且不满足某些场合的波导腔体与同轴接口相 互独立封闭的要求，在实用性上大大受到限制。本 文针对以上不足之处，研制出一种新型小型化气密 矩形波导一同轴转换器。 3小型气密矩形波导一同轴转换器设计 在研究单探钉‘激励矩形波导一同轴转换的基础 上，本文设计的小型化气密矩形波导一同轴转换器用 绝缘子烧结在波导短路面上，绝缘子的一端连接同 轴接头或微带电路，另一端伸入波导腔内，此时绝缘 子上传输同轴线中常朋的TEM模。为了实现波导 能肇和|一】轴能鼍的转换，再崩一段由波导宽边伸入 的同轴探钳‘激励起波导中的能量，建立所需要的 TEm模(认为只传输主模)。这种结构的转换器波 导传输方向与|一J轴接几在一条直线七，使转换器长 和高只需大于波导口尺寸，极大地减小了体积；并且 连接波导与同轴的绝缘子采用烧结形式，保证波导 腔体与同轴腔体的封闭气密性。 为了保证最大的传输能量，波导宽边激励针理论 上应位于波导宽边平面的中心，但当激励针在波导内 激励起他．。模时，探针的输入阻抗将按sin2f坐l的规 、Ⅱ， 律变化∞J，a为波导宽边长，z为探针距波导窄边的 距离。所以探针偏离波导宽边中心一定距离，该位 置的输入阻抗就将变低，从而更容易与低阻抗的I—J 25Dec2008 AnsoflCorporation XYPlot2 17：44：40 、 j 十 L。 ≠一 { ￡一 t 一- f f： ／7．． ‘·≮· ·{ —— 厂jI气 ：： L．J一 ．＼． 十 ： 。!／ 乒 、 、+ ’、‘ ∥ 轴线匹配¨1。经过分析和试验，探针探入波导的深 度h约为波导窄边的一半，即h—b／2，探针中心到 波导短路面的距离d约为工作频率波长的1／4，即d —A／4。 以某项日实际应用要求设计波导一同轴转换器， 技术指标如下： ·频段：28GHz～30GHz ·插入损耗：小于0．5dB ·驻波系数：小于1．3 按指标要求在HFSS中建立模型，波导口大小 为BJ320 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 波导口，绝缘子由腔体短路晦探入，激 励探针由波导宽边平面探入，如图5所示。 图5 波导一同轴转换器模型 在理论分析基础上考虑加工能力和精度j本 文预设绝缘子针长与激励探针长为定值，以绝缘 子在短路面中心偏移量dh、d∽和激励探针在波 导宽边中心的偏移量d：：、d：，，四个变量为优化变 量，在HFSS中仿真。仿真结果如图6所示，在28 GHz～30GHz频段内，插入损耗小于0．1dB，驻波 系数小于1．3，性能较为理想，且优化变量数值满 足加工精度要求。 茗髫 L= 薹差 巴警 号墨 AnsoftCorporation 20Dec2008 XYPlot2 13：16：4 (a)驻波仿真结果 (b)插入损耗仿真结果 图6波导．同轴转换器HFSS仿真结果 圃目斟 万方数据 火控雷达技术 第38卷 4样件制作及测试 根据仿真结果制作样品，样品采用黄铜加工，镍 打底镀金制作，为了便于测试，外形尺寸为标准法兰 19．1mm×19．1mm×4mm，如图7所示。 用安捷伦矢量网络分析仪8363B测试样件，在 28GHz～30GHz频段内，两个转换头总共的插入损 耗小于等于0．9dB，一个转换头的驻波系数小于 1．3，实测数据见图8。 图7矩形波导．同轴转换器样件 (aJ两个转换器的插入损耗 【b)一个转换头的驻波 图8矩形波导-同轴转换器实测数据 ．由测试结果可以得出，每个转换头的插入损耗 小于0．5dB，驻波系数小于1．3，实际测量结果与仿 真结果吻合，满足实际工程应用要求。 5 结论 本文在传统波导一同轴转换器的基础上研制的 小型气密波导一同轴转换器，这种新型转换器具有结 构加工简单、插入损耗小、回波损耗低以及密封性好 等优点。通过对实验样件的测试，其性能指标满足 工程使用要求，具有较为广泛的应用前景。 参考文献： [1]廖承恩．微波技术基础[M]．西安电子科技大 学出版社．1994． kwinL．Acontributiontothetheoryofprobes illwaveguide．procInstElecEng，ptC，1958； 105：109一116． CollinRE，FieldTheoryofGuideWaves[M]． NewYork：McGraw．Hill，1960；Ch．7：256 —271． HarringtonRF，TimeHarmonicElectromagnet— icFields[M]．NewYork：McGraw-Hill，1961； Chs．3，7，8． 凌峰，方大纲，李思放．微带波导过渡接头的 谱域线积分法分析[J]．微波学报．1997，12 (13)：291—295． 王文祥．微波工程技术[M]．成都：电子科技 大学出版社，2005． 林勇，何庆国．w频段微带一波导转换[J]．器 件的制造与应用。2008，6：603—605． 1J 1J 1J 1J 1I-1J 2 3 4 5 6 7 ，．L P．．L．．．L P。L，．L，．L 万方数据 小型气密矩形波导-同轴转换器的研制 作者： 王洁， 崔敏， 雷国忠， Wang Jie， Cui Min， Lei Guozhong 作者单位： 西安电子工程研究所,西安,710100 刊名： 火控雷达技术 英文刊名： FIRE CONTROL RADAR TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2009,38(2) 参考文献(7条) 1.林勇;何庆国 W频段微带-波导转换[期刊论文]-器件的制造与应用 2008(7) 2.王文祥 微波工程技术 2005 3.凌峰;方大纲;李思放 微带波导过渡接头的谱域线积分法分析 1997(13) 4.Harrington R F Time Harmonic Electromagnetic Fields 1961 5.Collin R E Field Theory of Guide Waves 1960 6.Lewin L A contribution to the theory of probes in waveguide 1958 7.廖承恩 微波技术基础 1994 本文读者也读过(8条) 1. 刘建生.居继龙.李钦.LIU Jian-sheng.JU Ji-long.Li Qin UHF宽带同轴-矩形波导转换器新结构[期刊论文]-电 视技术2009,33(z2) 2. 同轴-矩形波导转换器的仿真和实现[期刊论文]-空间电子技术2005,2(3) 3. 穆思亲 7～18GHz带SMA接头同轴波导转换器设计[期刊论文]-硅谷2010(18) 4. 丁川.王清源.廖翱 在高频段下带SMA接头的同轴 —矩形波导转换器的设计[会议论文]-2009 5. 袁成卫.钟辉煌.刘庆想.YUAN Cheng-wei.ZHONG Hui-huang.LIU Qing-xiang 同轴插板式模式转换器频率特性研 究[期刊论文]-电波科学学报2006,21(5) 6. 刘其强 一种新型同轴-脊波导转换器的分析与设计[期刊论文]-硅谷2010(19) 7. 魏振华.田立松.冯旭东.尹家贤.胡粲彬.WEI Zhen-hua.TIAN Li-song.FENG Xu-dong.YIN Jia-xian.HU Can-bin 8-18GHz同轴-波导转换器的分析与设计[期刊论文]-微波学报2008,24(z1) 8. 孙桂清.SUN Gui-qing 宽带同轴波导转换器的设计[期刊论文]-科技信息2010(19) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hkldjs200902024.aspx