一種緊湊的圓波導TE01模式激勵器

陳海濤 章志廣 劉 歡

(武漢船舶通信研究所 武漢 430205)

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一種緊湊的圓波導TE01模式激勵器

陳海濤 章志廣 劉 歡

(武漢船舶通信研究所 武漢 430205)

提出了一種基于微帶結構的K波段圓波導TE01模式的激勵器。該激勵器由四個微帶貼片單元環形排列組成,通過設計合理的饋電網絡實現TE01模式的輻射。運用HFSS電磁仿真工具分析了該激勵器在圓波導中對TE01模式電磁波的激勵情況,并設計了一個微波傳輸損耗測量實驗來驗證TE01模式激勵的有效性。

圓波導; TE01模式; 激勵器天線

Class Number TN82

1 引言

圓波導中的TE01模式具有傳播損耗隨頻率增加而減小的特性[1～5],這一特性使得TE01模式在遠距離傳輸方面具有獨特的優勢[6～8]。然而TE01模式不是圓波導中的基模,除最低階的TE11模式之外,在TE01模式之前,還存在TM01、TE21以及TM11幾個高階模式,這給TE01模式的有效激勵帶來了困難。文獻[9]中提出了一種圓波導中TE01模式的激勵裝置,該激勵裝置由四個矩形波導,以90°的間隔環形均布,對圓波導進行饋電。該激勵裝置具有較高的TE01模式激勵效率,但基于矩形波導的結構較為笨重,而且需要在圓波導管壁上開槽,不便于在圓波導管內部使用。本文提出一種基于微帶結構的TE01模式激勵器[10],該激勵器放置在圓波導內部,不需要對管壁開孔,適合于各種管道設施內部的微波信號傳輸。

2 工作原理

設計的TE01微帶激勵器如圖1所示。該激勵器為四單元環形微帶天線陣,由四個微帶貼片天線單元以及相應的微帶線組成,可看作是將其中一個天線單元及微帶線沿法向分別旋轉90°、180°和270°后構成。微帶天線單元采用輻射邊饋電方式,通過調整天線的寬度W,使天線的輸入電阻接近200Ω。微帶線的特性阻抗為200Ω,四個微帶線并聯后可獲得50Ω的阻抗,與饋電所用的同軸電纜匹配。

圖1 TE01微帶激勵器示意圖

每個天線單元所激勵的電場極化方向為沿天線的諧振邊L方向,在法向方向觀察,四個天線所激勵的電場將構成環形,而在中軸線上,電場將相互抵消,這正是圓波導中TE01模式的電場分布特性。將這樣一個四單元環形微帶天線陣放置在圓波導管的中心位置,法線方向與波導管的軸向重合,將可以在圓波導管中有效激勵起TE01模式的電磁波。

3 設計實例

設計了一副工作在K波段的圓波導TE01模式激勵器,中心頻率為19.6GHz。采用HFSS軟件對微帶貼片天線及饋線尺寸進行了優化,優化后的設計參數如表1所示。

表1 TE01微帶激勵器設計參數

表中wf為微帶線的寬度,h為基片厚度,εr為基片介電常數。

圖2 圓波導TE01模微帶激勵器樣品

在仿真設計的基礎上,制作了圓波導TE01模式微帶激勵器的樣品,如圖2所示。該樣機S11參數的仿真及測試結果如圖3所示。圖4給出了該激勵器放置在圓波導管中所激勵的電場。可以明顯看出,該激勵器所產生的電磁波滿足TE01模式的分布特性。

圖3 圓波導TE01模微帶激勵器S21參數仿真及測試結果

圖4 激勵器在圓波導中所激勵的電場

4 試驗驗證

該激勵器在圓波導管中激勵的電磁波模式難以直觀地觀測。為了證明TE01模式在波導管內被有效激勵,本文設計了一個微波傳輸衰減測量實驗,利用TE01模式的低衰減率特性來驗證該激勵器天線對TE01模激勵的有效性[11]。微波傳輸衰減測量試驗簡圖和現場如圖5和圖6所示。

圖5 微波傳輸衰減測量試驗簡圖

根據圓波導理論,當頻率遠高于截止頻率時,TE01模式的衰減要遠小于主模TE11模式。通過對比測試使用TE01模式激勵器和TE11模式激勵器時波導管的傳輸損耗的差異,可以間接驗證TE01模式是否被有效地激勵。

選取的微波傳輸損耗較大的鋼管作為試驗用波導管,內徑為50mm,長為50m。根據鋼管管材的電導率和磁導率,估算出19.6GHz頻率上TE11模式的衰減約為0.6dB/m,TE01模式的衰減約為0.15dB/m。制作了兩個對稱振子天線,用作實驗中的TE11模式的激勵器。

實驗中發射端所用信號源為AV4161信號發生器,接收端所用頻譜分析儀為MS2687B頻譜分析儀,實驗數據如下:采用TE11模式激勵器時,收發天線之間總的損耗為32dB,采用TE01模式激勵器時,收發天線之間總的損耗為10dB。顯然采用TE01模式激勵器時鋼管的傳播衰減要遠小于TE11模式激勵器。根據圓波導理論,在19.6GHz頻率上,波導管內可能存在的幾個模式中,只有TE01模式的衰減常數是小于TE11模式的,這就證明了采用本文提出的微帶天線激勵器,的確在波導管中激勵起了TE01模式的電磁波。

5 結語

提出了一種微帶天線形式的圓波導TE01模式激勵器,具有結構緊湊,便于與射頻電路集成的優點,可用作管道內部微波毫米波傳輸的收發天線。

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A Compact TE01Mode Exciter for Circular Waveguide

CHEN Haitao ZHANG Zhiguang LIU Huan

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430205)

A K-band TE01mode exciter for circular waveguide was proposed based on microstrip structure. This exciter was composed of four microstrip patches which were arranged circularly. With appropriate feed network, the exciter can radiate TE01mode electromagnetic wave in circular waveguide. The electromagnetic simulation soft HFSS is used to analyze the characteristic of the exciter set in circular waveguide. The existence of the TE01mode was validated by an experiment which was designed to measure the transmission loss in a steel pipe fed by the exciter.

circular waveguide, TE01mode, excitation antenna

2015年1月10日,

2015年3月3日 作者簡介:陳海濤,男,博士,高級工程師,研究方向:電磁場與天線技術。章志廣,男,碩士,工程師,研究方向:天線技術。劉歡,女,碩士,工程師,研究方向:通信系統。

TN82

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.046