摘 要：簡單介紹了圓波導(dǎo)耦合TM₀₁模旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的基本原理、設(shè)計(jì)思路以及仿真方法。這種旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的特點(diǎn)是能承受高脈沖功率，且旋轉(zhuǎn)相位穩(wěn)定，在承受大功率脈沖雷達(dá)饋線中是較為理想的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之一。依照本文的設(shè)計(jì)思路，可以方便、快速地確定旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的尺寸，隨后應(yīng)用仿真軟件對所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行電氣性能上的優(yōu)化，使其可以達(dá)到一個(gè)比較理想的電氣性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié);相位穩(wěn)定;高功率;圓波導(dǎo)

中圖分類號：TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0517902

Simulation Design of the Circular Waveguide Rotation Junction with Coupling TM₀₁

YIN Pengfei，ZHANG Chengquan

(No.39th Research Institute，China Electronic Science and Technology Group Corporation，Xi′an，710065，China)

Abstract：The paper introduces basic principle，design thoughts and simulation of circular waveguide coupling TM₀₁ rotation junction.The characteristics of the rotation junction is to bear the high pulse power and its phase is stable in working.It is one of the ideal rotation junction working in high power pulse radar feed line.According to design thoughts，the size of rotation junction can be easily and quickly certained，it opitimizes designed elecerical performance by using simulation software，makes it reach the ideal standard.

Keywords：rotation junction;stable phase;high power;circular waveguide

波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是工程中經(jīng)常用到的微波器件，目前工程中使用的均為同軸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，或圓波導(dǎo)式關(guān)節(jié)，其工作模式分別為TEM模和TE₁₁模。本文介紹一種用于某雷達(dá)工程中的波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的基本原理及設(shè)計(jì)方法。

1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

圓波導(dǎo)中傳輸?shù)母叽尾ㄐ蚑M₀₁模，其場型結(jié)構(gòu)如圖1所示。從場型分布可以看出：電場與圓周處“垂直旋轉(zhuǎn)對稱，相位穩(wěn)定”。根據(jù)圓波導(dǎo)的設(shè)計(jì)原理，初步選取波導(dǎo)尺寸，并在圓波導(dǎo)兩端對稱地開孔，選取合適的孔徑尺寸，使圓波導(dǎo)中的TM₀₁模被矩形波導(dǎo)中的TE₁₀模所激勵(lì)，這是因?yàn)榫匦尾▽?dǎo)中TE₁₀模的磁場與TM₀₁模的磁場方向一致。根據(jù)波導(dǎo)傳輸耦合原理，在圓波導(dǎo)中心適當(dāng)部位選擇截面縫隙作為扼流槽，即為轉(zhuǎn)動(dòng)部位。槽寬約為0-01λ，高度與長度約為λ/4，λ是工作波長。

圓波導(dǎo)中的TM₀₁模不是其最低模式，還有TE₁₁模與他可以同時(shí)存在，所以我們要設(shè)法抑制矩形波導(dǎo)TE₁₀模激勵(lì)出圓波導(dǎo)中的TE₁₁模。抑制方法是可以在關(guān)節(jié)的兩端各加一個(gè)短路圓筒，選取短路圓筒的直徑D₁稍小于D2。根據(jù)TE₁₁模與TM₀₁模在短路圓筒中各有不同的波導(dǎo)波長，可以選取短路圓筒的長度L1滿足以下關(guān)系式：

當(dāng)選取尺寸后，將圓筒串聯(lián)接于矩形波導(dǎo)與圓形波導(dǎo)構(gòu)成的主線上，則34λg(TE₁₁)的短路線的輸入阻抗為無窮大， 12λg(TM₀₁)短路線的輸入阻抗為零，因此可將TE₁₁模反射，讓TM₀₁模通過，從而起到了抑制TE₁₁模的作用。

為了抑制與TM₀₁模最鄰近的高次模TE21模，我們還要對圓波導(dǎo)的直徑D2有所限制，使他滿足以下關(guān)系式：

這樣，一個(gè)波導(dǎo)式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)各部位的尺寸就可以初步選定。以選定的尺寸通過使用高頻仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，調(diào)整選取適當(dāng)?shù)某叽缃?jīng)改變圓波導(dǎo)與標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)加入階梯式過渡段，調(diào)整耦合孔徑大小及位置，便可計(jì)算獲得滿足或高于工程所提技術(shù)指標(biāo)要求。

需要注意的是與圓波導(dǎo)連接的矩形波導(dǎo)的尺寸，以及他的端口距關(guān)節(jié)中心的距離的選取，對于改善關(guān)節(jié)的駐波與增加帶寬十分重要，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多加觀察。

2 仿真結(jié)果

TM₀₁模波導(dǎo)耦合式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對帶寬為4%時(shí)仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果如下：

仿真設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，設(shè)置其端口輸入的功率為1 MW，所得到的關(guān)節(jié)內(nèi)部場強(qiáng)分布如圖3所示，端口駐波曲線如圖4所示，插入損耗曲線如圖5所示。

3 結(jié)果分析

3.1 加工誤差分析

在仿真關(guān)節(jié)的關(guān)鍵部位，改變耦合孔尺寸，考慮加工

耦合孔確保精度較難，故對孔尺寸稍作改變，增加或減小0-2～0-4 mm。觀察計(jì)算結(jié)果變化僅在-27±1 dB范圍以內(nèi)。這表明加工誤差在允許范圍內(nèi)， 對其性能影響不大。

3.2 仿真與實(shí)物結(jié)果分析

仿真確定關(guān)節(jié)尺寸，加工成實(shí)物后，則對其實(shí)物進(jìn)行性能測試，實(shí)測結(jié)果反射損耗曲線見圖6，插入損耗曲線如圖7所示。在相對帶寬8.1%的范圍內(nèi)，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果十分吻合。

4 結(jié) 語

由這種方法設(shè)計(jì)出的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在仿真計(jì)算上比較容易建立起模型，而且用仿真軟件可以方便地求得關(guān)節(jié)兩端口間的夾角分別在任意角度的各項(xiàng)性能參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出具有耐高功率，相位穩(wěn)定和低損耗特點(diǎn)的波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。通過使用ANSOFT公司的HFSS軟件對用上述方法設(shè)計(jì)出的波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行仿真計(jì)算后，根據(jù)仿真尺寸所加工出的實(shí)物，對其測試后所得數(shù)據(jù)與仿真所得數(shù)據(jù)基本一致，滿足工程需要。

參考文獻(xiàn)

［1］顧瑞龍.微波技術(shù)與天線[J].北京:國防工業(yè)出版社，1983.

［2］劉學(xué)觀.微波技術(shù)與天線[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1993.

作者簡介

尹鵬飛 男，2003年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)?，F(xiàn)研究方向?yàn)槲⒉ㄅc天線技術(shù)。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”