同轴—矩形波导转换器的仿真-硬件和射频工程师.PDF

Ansoft2004 年用户通讯 - 127 - 同轴—矩形波导转换器的仿真 吕文菁 孙厚军 吕昕 北京理工大学微波通信实验室 100081 摘要：本文介绍了同轴—矩形波导转换器的原理和设计方法，运用以有限元法为原理的专业软件 Ansoft HFSS 对同轴—矩形波导转换器进行仿真，并与实际测量结果进行比较，仿真结果与测量结果吻合。 关键词：同轴 波导 转换器 1. 波型转换器的概念 能将一种传输波型转换成另一种传输波型的元件，称为波型转换器。 2. 同轴—矩形波导转换器 TE 同轴—矩形波导转换器是同轴线(TEM 模)到矩形波导( 10 模) 的转换器。它的常用方法之一是图 1 所示的转换接头。 同轴线的外导体与矩形波导的宽壁连在一起，内导体的延伸部分 TE (探针)插入波导中，形成一个小辐射天线，在波导中激励出 10 模 式的电磁波。为使能量单方向传播，在波导中距探针 L 处装置了 一个可调短路活塞，适当调节距离 L ，就能使波更有效地单方向 传播。由于在矩形波导中插入了探针，并在宽壁上开了孔，从而 造成结构上的不连续性，这必然地会在同轴线与波导的连接处产 生高次模。但是，这种高次模在距连接处稍远的区域内会很快地 衰减掉( 因为波导对它们是截止的) ，而在连接处附近，它们的作 用相当于储能元件，就是说，在同轴—矩形波导转换处引入了电 抗，造成波的反射，使同轴线与波导的失配加剧。为了改善匹配 性能，可适当调节探阵的插入深度 h ，或使探针偏离波导宽壁中 心线一个距离 d，并配合调节短路活塞的位置，就能大大改善匹 配性能。如果调整得好，可以在(10~15)%的相对频带宽度内使驻 波比不大于 1.1。 图 1 为了展宽频带，还可以采用如图 2 所示的方法，就是将探针 用介质套筒套起来。对于这种情况，目前尚无完整的定量分析， 但可定性地说，介质套降低了波导的等效阻抗，减少了阻抗对频 率变化的敏感性，从而展宽了频带。采用这种装置，在一定的工 作频带内，驻波比可小于 1.25。但是，加了介质套筒后，会降低 转换器的功率容量，因此这种装置多用于功率较低的情况。 除了上述的型式外，同轴—矩形波导转换器还有多种多样的 结构型式，采用不同结构型式的目的无非是两个：展宽频带和提 高功率容量。 3. 同轴—矩形波导转换器的仿真 根据所要求的频率以及标准矩形波导和同轴探针的尺寸在 Ansoft HFSS 中绘出同轴—矩形波导转换器的三维结构如下： 图2 Partners In Design - 128 - Ansoft2004 年用户通讯 然后进行材料设置，端口和辐射边界的设置及求解方面的设置，完成后开始求解。 初步观察仿真后的结果并对探针至后壁的距离、探 针深入矩形波导的长度，还有介质套筒的长度作出调整， 以得到最佳的仿真结果。 4. 同轴—矩形波导转换器的仿真结果 对于同轴—矩形波导转换器的仿真来说，我们最关 心的便是频带内的 VSWR 。下图便是得到的仿真结果： （由于某种原因，略去其中的频率） 可见，在指定的频带内的驻波比完全达到要求。 下图为与以此仿真为基础而制作的同轴—矩形波 导转换器实物照片，经实验测量，它们在指定频带内的 驻波比与仿真结果吻合的很好。 VSWR 随频率变化的曲线 同轴—矩形波导转换器实物照片 5. 结论 用 Ansoft HFSS 仿真的该同轴—矩形波导转换器具有良好的性能，后来以此仿真为基础制