武歡歡

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

目前，同軸—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換接頭通常采用直插式結(jié)構(gòu)[1]，如圖1(a)所示。原理是將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體延伸插入矩形波導(dǎo)腔內(nèi)，插入腔體內(nèi)的探針相當(dāng)于一根天線，將同軸線傳輸?shù)哪芰拷?jīng)探針頭部輻射出去，在波導(dǎo)中激勵(lì)起電磁場(chǎng)[2]。由于波導(dǎo)口的一端為短路板，電磁能量只能朝著波導(dǎo)的另一端口進(jìn)行傳輸，所以傳輸方向性比較強(qiáng)，直插式的分析方法主要是模式匹配思想。為了使轉(zhuǎn)換接頭在一個(gè)較寬的頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好匹配，可通過(guò)調(diào)節(jié)探針的插入深度以及半徑，也可通過(guò)將插入波導(dǎo)內(nèi)的探針頭部采用漸變的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)展寬頻帶的目的，但不規(guī)則的探針形狀會(huì)使得表面電流計(jì)算變得復(fù)雜，而且容易發(fā)生擊穿。此外，這種直插式的結(jié)構(gòu)輸入端口與輸出端口不在一條水平線上，不利于系統(tǒng)間的級(jí)聯(lián)，結(jié)構(gòu)不夠緊湊。

本文設(shè)計(jì)采用圖1(b)中所示的后饋式結(jié)構(gòu)，其同軸線的輸入端口與波導(dǎo)輸出端口處于同一水平線上，有利于系統(tǒng)間的互連。設(shè)計(jì)采用同軸探針從矩形波導(dǎo)后壁插入波導(dǎo)腔體內(nèi)的方式，在矩形波導(dǎo)中激勵(lì)起電磁場(chǎng)；通過(guò)多節(jié)階梯阻抗變換器來(lái)調(diào)節(jié)波導(dǎo)阻抗值，使矩形波導(dǎo)與同軸線阻抗值達(dá)到匹配，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的較小損耗傳輸。文獻(xiàn)[3]中介紹了一種7.5GHz～18 GHz的后饋式結(jié)構(gòu)，但是其中部分通過(guò)微帶線進(jìn)行轉(zhuǎn)換[4]，需要進(jìn)行焊接，增加了加工制作的復(fù)雜度。本文采用的后饋式結(jié)構(gòu)，不存在微帶部分，只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械加工便可實(shí)現(xiàn)。矩形波導(dǎo)部分采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，通過(guò)在波導(dǎo)腔體內(nèi)加入階梯阻抗匹配器來(lái)達(dá)到匹配的效果，同軸部分采用SMA型接頭。

1 同軸線到矩形波導(dǎo)的傳輸原理

由于同軸—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器具有可逆性，即該元件用在發(fā)射方面信號(hào)由同軸輸入，匹配對(duì)同軸線而言。反過(guò)來(lái)，如果把匹配好的元器件作為接收部分，信號(hào)由波導(dǎo)輸入，結(jié)果仍然是匹配的。如圖2所示，把矩形波導(dǎo)視為傳輸線，將匹配器件（三螺調(diào)配器或者切比雪夫阻抗變換器）視為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，同軸波導(dǎo)視為負(fù)載。即要想實(shí)現(xiàn)同軸到波導(dǎo)的過(guò)渡，必須引入阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載到源的匹配。

圖2 同軸—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換原理圖

2 寬帶單脊波導(dǎo)—同軸轉(zhuǎn)換器的仿真設(shè)計(jì)

采用HFSS軟件進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，將同軸線內(nèi)導(dǎo)體與脊波導(dǎo)的端面接觸后，其匹配程度較低。通過(guò)理論分析，認(rèn)為產(chǎn)生這種情況的主要原因是同軸線與脊波導(dǎo)這兩種結(jié)構(gòu)的差異比較大，電磁波能量的傳輸無(wú)法快速地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以至于在兩者的連接處出現(xiàn)較大的反射。通過(guò)大量仿真以及優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，在脊與同軸線內(nèi)導(dǎo)體間采取非接觸的方法，將同軸線內(nèi)導(dǎo)體伸出的探針部分懸置在矩形波導(dǎo)中，再在矩形波導(dǎo)中采用切比雪夫阻抗變換器進(jìn)行阻抗匹配，能夠使電磁能量更好地從同軸線中傳輸?shù)骄匦尾▽?dǎo)中。

圖3 單脊波導(dǎo)—同軸轉(zhuǎn)換器仿真模型圖

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)思想，在HFSS中建立了如圖3所示的仿真模型，其中同軸線的特性阻抗設(shè)置為50 Ω。在脊波導(dǎo)中，頻率高端阻抗值低且變化緩慢，而低端的阻抗值高且變化較大[3]，采用同樣節(jié)數(shù)的阻抗變換器，高端比低端更容易實(shí)現(xiàn)匹配。所以為了在整個(gè)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的匹配，應(yīng)該選擇低頻端進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)。采用切比雪夫阻抗變換器，綜合考慮階梯總長(zhǎng)度以及駐波比的要求，最終選取匹配枝節(jié)為3節(jié)。這種同軸—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的阻抗匹配是通過(guò)調(diào)節(jié)階梯長(zhǎng)度以及高度來(lái)進(jìn)行匹配的。采用多臺(tái)階進(jìn)行阻抗變換，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示：

第一臺(tái)階的高度為5 mm，長(zhǎng)度為4.8 mm，寬為2 mm；第二臺(tái)階高為4.3 mm，長(zhǎng)為3.2 mm，寬為2 mm；第三臺(tái)階高為2.9 mm，長(zhǎng)為2.6 mm，寬為2 mm；激勵(lì)探針的長(zhǎng)度為3.2 mm，臺(tái)階距離同軸到波導(dǎo)的交接面處的距離為4 mm，矩形波導(dǎo)的長(zhǎng)寬高分別是18 mm、15.8 mm、7.9 mm。

同軸—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是臺(tái)階的尺寸以及同軸探針插入波導(dǎo)中的長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)時(shí)首先通過(guò)理論計(jì)算得出初始模型參數(shù)值，然后通過(guò)HFSS仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試使匹配達(dá)到最優(yōu)，在參數(shù)優(yōu)化以及調(diào)試中可以發(fā)現(xiàn)：調(diào)節(jié)臺(tái)階的高度、長(zhǎng)度以及同軸探針的插入深度對(duì)匹配的影響較大。因此，可通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)使匹配達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：探針的插入深度會(huì)影響電磁波激勵(lì)起場(chǎng)的位置，進(jìn)而影響匹配；而階梯的尺寸會(huì)改變矩形波導(dǎo)的阻抗值，使矩形波導(dǎo)阻抗值逐漸過(guò)渡到與同軸線阻抗值相等。仿真結(jié)果如圖4所示，從圖4(a)中可見(jiàn)在13.8 GHz～16.0 GHz頻段范圍內(nèi)駐波比小于1.2；圖4(b)的仿真數(shù)據(jù)可以得出S11＜-20 dB的帶寬為14.2 GHz到16.1 GHz，S11＜-25 dB的帶寬為14.5 GHz到15.8 GHz，帶內(nèi)平穩(wěn)，波動(dòng)?。黄渲?，S22＜-20 dB的帶寬為14.1 GHz到16.1 GHz，S22＜-25 dB的帶寬為14.5 GHz到15.8 GHz；圖4(c)為S21的仿真結(jié)果，其中，13.8 GHz～16.0 GHz頻段范圍內(nèi)小于0.1 dB；調(diào)節(jié)階梯的尺寸可改變器件的匹配程度，可通過(guò)觀察Smith圓圖中曲線的變化情況，了解同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器中參數(shù)的變化對(duì)于整個(gè)同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器阻抗匹配的影響，有利于器件的調(diào)試與設(shè)計(jì)，加快器件的匹配優(yōu)化進(jìn)程。

圖4 單脊波導(dǎo)—同軸仿真結(jié)果

根據(jù)仿真得到的尺寸，用黃銅加工制作的同軸—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換接頭，整個(gè)轉(zhuǎn)換接頭表面均采用鍍金處理，如圖5所示。輸入端為SMA接頭，輸出端口為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，整個(gè)轉(zhuǎn)換接頭的長(zhǎng)度為28 mm。

圖5 單脊波導(dǎo)—同軸轉(zhuǎn)換器實(shí)物圖

對(duì)加工制作完成的轉(zhuǎn)換接頭采用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試中采用兩個(gè)轉(zhuǎn)換接頭對(duì)接的方法測(cè)試端口的回波損耗。轉(zhuǎn)換接頭的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。將兩個(gè)轉(zhuǎn)換接頭對(duì)接進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，在整個(gè)工作頻段范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換接頭的駐波特性基本良好，但在高頻段以及低頻段駐波特性都有所衰減，整個(gè)頻段范圍內(nèi)的駐波比基本保持在1.4以下，與仿真效果存在差異。

圖6 實(shí)物測(cè)試結(jié)果

分析產(chǎn)生誤差的原因有以下兩點(diǎn)：1）經(jīng)過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，階梯的高度以及探針的插入深度對(duì)于同軸—波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)有較大影響。而在實(shí)物加工過(guò)程中，機(jī)械加工存在一定的誤差，導(dǎo)致臺(tái)階尺寸以及探針的插入深度都與仿真值存在一定的偏差。2）階梯以及上表面單脊均采用導(dǎo)電膠粘貼在矩形波導(dǎo)內(nèi)表面上，導(dǎo)電膠粘貼所致的階梯高度整體抬高以及臺(tái)階的粘貼位置的定位精準(zhǔn)程度等都是導(dǎo)致仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大差距的原因。為了克服這一系列問(wèn)題，可以使用更為精密的儀器進(jìn)行加工，降低工程誤差；也可以通過(guò)將器件沿窄邊軸線進(jìn)行剖分，分為上下兩部分，分別進(jìn)行加工，之后再將兩部分采用螺釘固定在一起，這樣便可解決階梯高度以及定位精準(zhǔn)的問(wèn)題，盡可能地降低實(shí)物制作過(guò)程中的誤差。

3 結(jié)論

筆者對(duì)波導(dǎo)—同軸轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了研究，采用切比雪夫階梯阻抗匹配法，通過(guò)調(diào)節(jié)階梯的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的匹配，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的可行性，但實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在誤差，經(jīng)過(guò)對(duì)誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，進(jìn)而提出了可行的修改意見(jiàn)。