超宽频带波导同轴转换的设计和HFSS仿真

摘要：本文主要针对常用频段波导类微波器件实际调试和测试的工程需要，设计出结构简单、加工方便、 调试容易，并能覆盖较宽频带的探针激励形式波导同轴转换，该种形式的WCC 现已覆盖BJ32、BJ48 等标准矩形波导口径，带宽均已达到40%以上，并在上述波导口径所覆盖的全频带内获得优良的电气性能。

1.引言

在一个微波系统中，有时难免会出现两种不同类型的传输线，例如既有同轴线又有矩形波导，或既有同轴线又有微带线，把两种不同类型传输线连接起来的微波元件称为激励器或转换器。由于激励器或转换器直接影响整个系统的性能，故而研究此类元件从而提高它们的性能显得十分重要[1]。然而激励器或转换器边界条件十分复杂，要严格地进行理论分析十分困难，只有极少数结构较为规则的激励器可作定量分析，传统的研究方法主要依赖试验测定 和调节，设计周期较长，因此选择行之有效的仿真工具可大大提高设计效率。 为了满足工程需要，本文的波导同轴转换选用探针激励形式。根据现有的探针激励形式的波导同轴转换研究理论，结合以往的工程经验，利用Ansoft 公司的HFSS 软件进行仿真设计与优化，获得了优良的工作性能。这种波导同轴转换的带宽可以达到40%以上，基本 可以覆盖波导口径所对应的主模可用频带。

2.波导同轴转换设计与测试

2.1 波导同轴转换基本原理

常用波导同轴转换采用探针激励来实现，它的输出是通过作为同轴线内导体的细圆柱（即探针）插入矩形波导的宽壁来激励主模TE10 波的。在这种装置中，探针两边都将激励起电磁波，因此要很好的选择短路面的位置来使同轴线与波导之间很好的匹配。值得注意的是，金属探针还会激励起不少其它的模式，如TE11、TE01、TE12、TM11、TM12 等，但只要选择合适的波导尺寸，使得λ g(其它模式）< λ <λg(TE10)，就能使其它高次模在靠近激励装置的附近就衰减了。一般情况下，根据传输功率的大小，所要求的频带宽度等激励装置都由经验确定。激励装置应与波导很好的匹配，使大部分能量都传入波导[2]。习惯上我们将探针作为一小天线向矩形波导辐射能量。波导同轴转换除了要求激励所需模式外还要求输出最大功率，使激励装置与波导匹配，波导中不存在反射。探针天线向波导内辐射功率的大小，通常用探针的辐射电阻R 来表示，可以写成

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可从上述（1）式中明显地看出：适当地选择探针的长度d和短路位置l 就能使辐射电阻R等于同轴线的等效阻抗Ze，这样就能保证同轴线探针的功率大部分传输到矩形波导中去。

2.2 分析与设计

在以往工程实践中可采用在探针上添加介质套、加粗探针顶端部分的方式来实现阻抗匹配和展宽带宽的目的。本文在设计中采用探针馈电的基本方式，结合既有的理论分析，参考以往工程实践经验，同时采用上述两种措施来进行设计。

由于探针在波导中相当于一个小天线，向四周辐射能量。其位置按耦合匹配要求而定， 比如，在电场波腹处，即宽边a 的中间，使得耦合最强。对于TE10波型，可将探针置于波导宽壁的中心线处[3]。

若探针位于波导宽壁的中心线处，探针到波导短路位置的距离l 可取为λ g0/4 （λg 0是对应于中心频率的波导波长）。在实际的结构中，经过仿真调试，确定l 的选取在该长度附近。为了实现匹配，在探针上添加一个介质套，所用的材料选择工程上常用的Teflon （εr ＝2.1），这样可以有效的降低波导的等效阻抗，并能较少对频率的敏感性，从而达到改善匹配和展宽带宽的目的。

对于测试附件而言，要求在尽可能宽的频带内具有良好的电气性能。而若想扩宽波导同轴转换的频带，有效的抑制探针所激励出的高次模是非常重要的。除所需的主模TE10 模之外，探针能激励起沿波导宽边具有奇数次电场变化的波，因此需要选择合适的波导尺寸，使得高次模得以衰减。由于介质套的引入与探针顶端部分加粗的影响，容易在设计频带的高端频点产生TE11/TM11两种高次模。这两种高次模的截止波长λ c 均与矩形波导窄壁的内尺寸b 有关，[4]可以通过减小b 尺寸来降低高次模的截止波长，同时要保证探针到标准波导口面有一定距离（经过仿真验证该距离至少为λg /4 ），从而使高次模得到衰减，实现扩宽频带的目的。