張翠

一種新型的同軸波導(dǎo)電纜組件的研制

張翠

本文介紹了一種高性能波導(dǎo)電纜組件的設(shè)計及HFSS仿真。詳細闡述將電纜內(nèi)導(dǎo)體直接插入同軸諧振腔內(nèi)進行調(diào)配,通過調(diào)節(jié)短路活塞在波導(dǎo)諧振腔內(nèi)的位置和λ0/4同軸調(diào)諧器在同軸諧振腔內(nèi)的位置,可實現(xiàn)小電壓駐波比、低損耗、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠等優(yōu)異的技術(shù)性能,并給出了實測數(shù)據(jù)。

組件的結(jié)構(gòu)

同軸波導(dǎo)電纜組件是由兩個波導(dǎo)電纜接頭和同軸電纜耦合組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。波導(dǎo)電纜接頭是由同軸諧振腔、短路活塞、λ0/4同軸調(diào)諧器和波導(dǎo)諧振腔等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 同軸波導(dǎo)電纜組件的結(jié)構(gòu)

圖2 波導(dǎo)電纜接頭的結(jié)構(gòu)

特性阻抗匹配和模式轉(zhuǎn)換

由于設(shè)計的波導(dǎo)是單模傳輸?shù)?所有高次模都被截止，只有TE10模傳輸。電纜內(nèi)導(dǎo)體TEM模的場具有儲能特性,它們同波導(dǎo)工作模式TE10進行能量耦合,相當(dāng)于在電纜內(nèi)導(dǎo)體處給矩形波導(dǎo)引入了一個電抗(或電納) 分量,通過調(diào)整電纜內(nèi)導(dǎo)體在同軸諧振腔里的位置(即改變λ0/4同軸調(diào)諧器在同軸諧振腔里的位置) 和改變短路活塞在波導(dǎo)諧振腔里的位置,使電磁能量全部進入波導(dǎo)諧振腔內(nèi),消除反射波,實現(xiàn)同軸電纜TEM模與波導(dǎo)TE10模之間的轉(zhuǎn)換。

λ0/4同軸調(diào)諧器

λ0/4同軸調(diào)諧器一端短路,另一端開路，它的工作模式是TEM波，具有場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、頻帶寬等特點。調(diào)節(jié)λ0/4同軸調(diào)諧器在同軸諧振腔內(nèi)的位置,即調(diào)節(jié)λ0/4同軸調(diào)諧器的長度,以激勵起TEM 模后,電磁波在腔中來回反射形成駐波。λ0/4同軸調(diào)諧器的長度l =λ0(2n-1)/4 ,其中n =1，2 ,3 ,......。當(dāng)n=1時,λ0=4l，為最低次振蕩模式的諧振波長,它不是唯一的,可以周期性地出現(xiàn)。可見，改變λ0/4同軸調(diào)諧器在同軸諧振腔的位置就可以改變諧振波長。λ0/4同軸調(diào)諧器內(nèi)徑D和電纜內(nèi)導(dǎo)體直徑d的選擇必須保證同軸諧振腔只能有TE10模傳輸,且要有較高的空載品質(zhì)因數(shù)Q0值,其Q0值為:

式中l(wèi)為λ0/4同軸調(diào)諧器在同軸諧振腔里的位置長度,是λ0/4的奇數(shù)倍；D為λ0/ 4 同軸調(diào)諧器內(nèi)徑；d為同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體直徑；λ0為自由空間的波長；δ為趨膚深度。

當(dāng)D/d=3.6時,Q0值最大,實際上在2.5 ≤D/d≤6之間變動時,Q0值變化不大。為了避免產(chǎn)生高次模,應(yīng)滿足π( D + d)/ 2 <λ0。根據(jù)計算和實踐經(jīng)驗,λ0/4同軸調(diào)諧器的D/d =4 時為最佳。

建模和仿真

由于受加工質(zhì)量、裝配、調(diào)試等多道工序的影響,實際產(chǎn)品的調(diào)試結(jié)果是有差異的。為了提高設(shè)計可行性，縮短試制周期,提高設(shè)計效率,我們利用Ansoft HFSS軟件建立三維模型進行高頻性能的優(yōu)化，如圖3所示。

根據(jù)建立的模型,對理論計算的近似尺寸進行仿真并調(diào)整。VSWR仿真結(jié)果如圖4所示,VSWR是以波腹、波節(jié)相間的波形分布的,在節(jié)、腹之間作余弦變化,可見該曲線是比較理想的。

圖3 仿真三維模型

圖4 仿真結(jié)果

實驗結(jié)果

同軸波導(dǎo)電纜組件的測試結(jié)果如表1所示,此組件具有低損耗、小電壓駐波比和穩(wěn)定性好的特點,且VSWR優(yōu)于俄羅斯同類產(chǎn)品。

此同軸波導(dǎo)電纜組件具有損耗小、電壓駐波比小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠和電纜柔軟的特點。該組件工藝成熟，已批量生產(chǎn)和在實際中應(yīng)用。該產(chǎn)品的研制對相同系列不同頻段產(chǎn)品的開發(fā)具有借鑒作用。

（作者單位：西安艾力特電子實業(yè)有限公司）