圆波导耦合TM01模旋转关节仿真设计

　　波导旋转关节是工程中经常用到的微波器件，目前工程中使用的均为同轴式旋转关节，或圆波导式关节，其工作模式分别为TEM模和TE11模。本文介绍一种用于某雷达工程中的波导旋转关节的基本原理及设计方法。

　　1旋转关节的设计

　　圆波导中传输的高次波型TM01模，其场型结构如图1所示。从场型分布可以看出：电场与圆周处垂直旋转对称，相位稳定。根据圆波导的设计原理，初步选取波导尺寸，并在圆波导两端对称地开孔，选取合适的孔径尺寸，使圆波导中的TM01模被矩形波导中的TE10模所激励，这是因为矩形波导中TE10模的磁场与TM01模的磁场方向一致。根据波导传输耦合原理，在圆波导中心适当部位选择截面缝隙作为扼流槽，即为转动部位。槽宽约为0.01λ，高度与长度约为 λ／4，λ是工作波长。

　　圆波导中的TM01模不是其最低模式，还有TE11模与他可以同时存在，所以我们要设法抑制矩形波导TE10模激励出圆波导中的TE11模。抑制方法是可以在关节的两端各加一个短路圆筒，选取短路圆筒的直径D1稍小于D2。根据TE11模与TM01模在短路圆筒中各有不同的波导波长，可以选取短路圆筒的长度L1满足以下关系式：

　　当选取尺寸后，将圆筒串联接于矩形波导与圆形波导构成的主线上，则3/4λ(TE11)的短路线的输入阻抗为无穷大， 1/2λg(TM01)短路线的输人阻抗为零，因此可将TE11模反射，让TM01模通过，从而起到了抑制TE11模的作用。

　　为了抑制与TM01模最邻近的高次模TE21模，我们还要对圆波导的直径D2有所限制，使他满足以下关系式：

　　这样，一个波导式旋转关节各部位的尺寸就可以初步选定。以选定的尺寸通过使用高频仿真软件进行仿真计算，调整选取适当的尺寸经改变圆波导与标准矩形波导加入阶梯式过渡段，调整耦合孔径大小及位置，便可计算获得满足或高于工程所提技术指标要求。

　　需要注意的是与圆波导连接的矩形波导的尺寸，以及他的端口距关节中心的距离的选取，对于改善关节的驻波与增加带宽十分重要，设计时应多加观察。

　　2仿真结果

　　TM01模波导耦合式旋转关节相对带宽为4％时仿真设计的结果如下：

　　仿真设计关节的结构形式如图2所示，设置其端口输入的功率为1 MW，所得到的关节内部场强分布如图3所示，端口驻波曲线如图4所示，插入损耗曲线如图5所示。

　　3结果分析

　　3.1加工误差分析

　　在仿真关节的关键部位，改变耦合孔尺寸，考虑加工耦合孔确保精度较难，故对孔尺寸稍作改变，增加或减小0.2～0.4 mm。观察计算结果变化仅在-27±1 dB范围以内。这表明加工误差在允许范围内，对其性能影响不大。[p]

　　3.2仿真与实物结果分析

　　仿真确定关节尺寸，加工成实物后，则对其实物进行性能测试，实测结果反射损耗曲线见图6，插入损耗曲线如图7所示。在相对带宽8.1％的范围内，实测结果与仿真结果十分吻合。

　　4结语

　　由这种方法设计出的旋转关节，在仿真计算上比较容易建立起模型，而且用仿真软件可以方便地求得关节两端口间的夹角分别在任意角度的各项性能参数，从而设计出具有耐高功率，相位稳定和低损耗特点的波导旋转关节。通过使用ANSOFT公司的HFSS软件对用上述方法设计出的波导旋转关节进行仿真计算后，根据仿真尺寸所加工出的实物，对其测试后所得数据与仿真所得数据基本一致，满足工程需要。