劉明罡，王乃志，方紅梅，謝金祥

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京，210039）

1 引言

在微波領(lǐng)域中，金屬波導(dǎo)是大功率微波信號低損耗傳輸?shù)牡湫宛伨€形式。單根波導(dǎo)的長度是有限的，例如X波段的金屬波導(dǎo)的典型長度在1m～2m之間。為了形成更長距離的傳輸波導(dǎo)，可以將多根短波導(dǎo)通過法蘭面用螺釘緊固連接成一長根波導(dǎo)。

在一些特殊的射頻互連場景中，微波信號對接處，沒有足夠的空間在波導(dǎo)口周邊布置法蘭，或則沒有螺釘緊固操作的操作空間，需要采用盲插對接方案。

目前，用于射頻接頭盲插對接的方案中，多采用SMP、BMA、SBMA、TNC 等同軸結(jié)構(gòu)的盲插連接器［1-4］。但是，此類同軸連接耐功率水平有限，無法長期承受高頻段（X波段及以上）的KW 級峰值功率微波能量的傳輸，可能存在打火、發(fā)熱等問題。因此，對于高頻段（X波段以上）、高密度、大功率微波能量傳輸時，需要采用波導(dǎo)盲插對接方案。

本文中，借鑒上述同軸結(jié)構(gòu)的盲插連接器中，使用了金屬彈性簧片實(shí)現(xiàn)對接雙方的電氣連續(xù)性，提出了利用金屬簧片［5］的方法，保證兩段波導(dǎo)對接面內(nèi)壁電流連續(xù)，降低對波導(dǎo)口對接法蘭的尺寸、緊固螺釘以及對接精度的要求，可在緊湊受限空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)大功率高頻微波信號的互連傳輸，方便在相控陣條件下使用。

2 波導(dǎo)端口結(jié)構(gòu)

具備盲插能力的波導(dǎo)口結(jié)構(gòu)如圖1所示，在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口周邊布置有金屬簧片，其中波導(dǎo)口為BJ100波導(dǎo)口，尺寸為22.86mm×10.16mm。在兩個波導(dǎo)端面對接場景下，僅在其中一個波導(dǎo)對接面的上布置簧片。另外一個波導(dǎo)對接面上不布置簧片，而保持平整對接面（無扼流法蘭等結(jié)構(gòu)）。

簧片安裝在波導(dǎo)口的周邊，重點(diǎn)布置在波導(dǎo)口寬邊上下，兩個寬邊均需要布置，以保證波導(dǎo)內(nèi)表面電流的連續(xù)傳輸，波導(dǎo)的兩個窄邊也布置了簧片，其作用為進(jìn)一步抑制電磁泄漏，如圖1所示。

圖1 裝有金屬簧片的矩形波導(dǎo)口（波導(dǎo)為BJ100）

簧片的尺寸如圖2所示。針對X波段波導(dǎo)，采用的金屬簧片的齒形為矩形，周期為2.4mm，齒間距為0.4mm，矩形齒相對與波導(dǎo)對接面的高度（可壓縮量）為0.8mm。

圖2 金屬簧片結(jié)構(gòu)示意圖與尺寸（圖中尺寸單位：mm）

如圖3所示，簧片在波導(dǎo)口面上的固定方式可以包括：1）背膠貼裝，2）螺釘或銷釘固定。

圖3 金屬簧片安裝方式

依據(jù)簧片的高度計(jì)算，波導(dǎo)對接面的的間隙為0.6mm（針對上述X波段簧片高度為0.8mm的情況），如圖4所示。該間隙尺寸為波導(dǎo)對接面的對接誤差容許范圍，即兩個波導(dǎo)端面之間的間隙在0～0.6mm之間，均可以使電磁波良好傳播。

圖4 波導(dǎo)盲插對接示意圖（剖面圖，圖中尺寸單位：mm）

與傳統(tǒng)的波導(dǎo)端面連接要求相比，如要求波導(dǎo)法蘭面的平整度、緊固螺釘松緊程度、波導(dǎo)法蘭面對位精度要求等，采用簧片連接后，能大幅度降低波導(dǎo)對接精度要求，適用安裝空間緊張、難于緊固操作的環(huán)境，尤其適用于相控陣。

3 仿真分析

為了確定盲插對接波導(dǎo)性能，通過電磁仿真軟件進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，仿真模型如圖5所示。其中，采用BJ100波導(dǎo)，在兩波導(dǎo)對接端面之間加金屬簧片連接。兩波導(dǎo)端面間距為0.6mm。仿真中波導(dǎo)口饋入的功率為20kW。

圖5 波導(dǎo)盲插結(jié)構(gòu)電磁仿真模型

盲插結(jié)構(gòu)的駐波仿真結(jié)果如圖6所示，采用金屬簧片后，波導(dǎo)對接端面的橫向錯位為1mm時，對接處的駐波≤1.1，當(dāng)橫線錯位為2mm時，對接處駐波≤1.3。故此盲插結(jié)構(gòu)可以允許1mm以下的橫向錯位。

圖6 不同橫向錯位尺寸時對接端面的駐波

盲插結(jié)構(gòu)的場強(qiáng)仿真結(jié)果如圖7所示。波導(dǎo)口的激勵功率為20kW，波導(dǎo)對接端面錯位為2mm，從圖中可知，整個結(jié)構(gòu)內(nèi)的場強(qiáng)最大值為470kV／m，遠(yuǎn)小于空氣擊穿場強(qiáng)（3000kV／m），不會使空氣擊穿。故此結(jié)構(gòu)可以傳輸至少20kW 的微波功率。

圖7 波導(dǎo)對接端頭附近電場分布

4 測試結(jié)果

為了測試用簧片實(shí)現(xiàn)的波導(dǎo)對接結(jié)構(gòu)的高功率傳輸性能，按圖8搭建測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)中包括X波段速調(diào)管（產(chǎn)生高功率射頻信號）、定向耦合器（用于測定輸出功率），對接波導(dǎo)段（用于安裝簧片），角錐喇叭（作為負(fù)載）以及配套的電源和冷卻設(shè)備。其中，對接波導(dǎo)段的法蘭面上粘接有金屬簧片，如圖9所示。

圖8 波導(dǎo)盲插結(jié)構(gòu)耐功率試驗(yàn)

將對接波導(dǎo)段和定向耦合器，對接法蘭面上通過局部嵌入6層厚度為0.1mm介質(zhì)墊片，使得波導(dǎo)法蘭面分開0.6mm，破壞其原有的電接觸條件，改為由簧片實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)對接面的電接觸。

在高功率測試中，采用高功率行波管為波導(dǎo)對接端提供峰值功率25kW，占空比3‰的微波功率脈沖。微波頻率為10GHz，脈沖寬度為10us?？綑C(jī)時間為2小時。

在拷機(jī)過程中，功率計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定、未出現(xiàn)嘯叫等現(xiàn)象。在拷機(jī)結(jié)束后，在波導(dǎo)對接端面上未發(fā)現(xiàn)有打火痕跡，如圖9所示。

圖9 用于耐功率實(shí)驗(yàn)后波導(dǎo)對接端面

5 結(jié)論

本文提出的波導(dǎo)盲插結(jié)構(gòu)，通過在波導(dǎo)對接端面上安裝金屬簧片，可實(shí)現(xiàn)兩段波導(dǎo)對接面處的電流連續(xù)傳輸。仿真結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)的對接端面具有較好的匹配性能，且具備較大的容差特性。通過25kW 大功率拷機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該盲插結(jié)構(gòu)具備大功率傳輸能力。此種盲插結(jié)構(gòu)能降低對波導(dǎo)口對接法蘭的尺寸、緊固螺釘以及對接精度的要求，可在緊湊受限空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)大功率高頻微波信號的互連傳輸，方便在相控陣條件下使用。