寬帶單脊波導—同軸轉換器的仿真設計

武歡歡

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

0 引言

目前，同軸—波導轉換接頭通常采用直插式結構[1]，如圖1(a)所示。原理是將同軸線的內導體延伸插入矩形波導腔內，插入腔體內的探針相當于一根天線，將同軸線傳輸的能量經探針頭部輻射出去，在波導中激勵起電磁場[2]。由于波導口的一端為短路板，電磁能量只能朝著波導的另一端口進行傳輸，所以傳輸方向性比較強，直插式的分析方法主要是模式匹配思想。為了使轉換接頭在一個較寬的頻段范圍內實現良好匹配，可通過調節探針的插入深度以及半徑，也可通過將插入波導內的探針頭部采用漸變的方法來實現展寬頻帶的目的，但不規則的探針形狀會使得表面電流計算變得復雜，而且容易發生擊穿。此外，這種直插式的結構輸入端口與輸出端口不在一條水平線上，不利于系統間的級聯，結構不夠緊湊。

本文設計采用圖1(b)中所示的后饋式結構，其同軸線的輸入端口與波導輸出端口處于同一水平線上，有利于系統間的互連。設計采用同軸探針從矩形波導后壁插入波導腔體內的方式，在矩形波導中激勵起電磁場；通過多節階梯阻抗變換器來調節波導阻抗值，使矩形波導與同軸線阻抗值達到匹配，實現信號的較小損耗傳輸。文獻[3]中介紹了一種7.5GHz～18 GHz的后饋式結構，但是其中部分通過微帶線進行轉換[4]，需要進行焊接，增加了加工制作的復雜度。本文采用的后饋式結構，不存在微帶部分，只需經過簡單的機械加工便可實現。矩形波導部分采用標準波導，通過在波導腔體內加入階梯阻抗匹配器來達到匹配的效果，同軸部分采用SMA型接頭。

1 同軸線到矩形波導的傳輸原理

由于同軸—波導轉換器具有可逆性，即該元件用在發射方面信號由同軸輸入，匹配對同軸線而言。反過來，如果把匹配好的元器件作為接收部分，信號由波導輸入，結果仍然是匹配的。如圖2所示，把矩形波導視為傳輸線，將匹配器件（三螺調配器或者切比雪夫阻抗變換器）視為阻抗匹配網絡，同軸波導視為負載。即要想實現同軸到波導的過渡，必須引入阻抗變換網絡，實現負載到源的匹配。

圖2 同軸—波導轉換原理圖

2 寬帶單脊波導—同軸轉換器的仿真設計

采用HFSS軟件進行仿真發現，將同軸線內導體與脊波導的端面接觸后，其匹配程度較低。通過理論分析，認為產生這種情況的主要原因是同軸線與脊波導這兩種結構的差異比較大，電磁波能量的傳輸無法快速地進行轉換，以至于在兩者的連接處出現較大的反射。通過大量仿真以及優化實驗，在脊與同軸線內導體間采取非接觸的方法，將同軸線內導體伸出的探針部分懸置在矩形波導中，再在矩形波導中采用切比雪夫阻抗變換器進行阻抗匹配，能夠使電磁能量更好地從同軸線中傳輸到矩形波導中。

圖3 單脊波導—同軸轉換器仿真模型圖

為了驗證該設計思想，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置為50 Ω。在脊波導中，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]，采用同樣節數的阻抗變換器，高端比低端更容易實現匹配。所以為了在整個頻段內實現良好的匹配，應該選擇低頻端進行阻抗匹配設計。采用切比雪夫阻抗變換器，綜合考慮階梯總長度以及駐波比的要求，最終選取匹配枝節為3節。這種同軸—波導轉換器的阻抗匹配是通過調節階梯長度以及高度來進行匹配的。采用多臺階進行阻抗變換，具體設計參數如下所示：

第一臺階的高度為5 mm，長度為4.8 mm，寬為2 mm；第二臺階高為4.3 mm，長為3.2 mm，寬為2 mm；第三臺階高為2.9 mm，長為2.6 mm，寬為2 mm；激勵探針的長度為3.2 mm，臺階距離同軸到波導的交接面處的距離為4 mm，矩形波導的長寬高分別是18 mm、15.8 mm、7.9 mm。

同軸—波導轉換器的設計關鍵是臺階的尺寸以及同軸探針插入波導中的長度，設計時首先通過理論計算得出初始模型參數值，然后通過HFSS仿真軟件進行優化調試使匹配達到最優，在參數優化以及調試中可以發現：調節臺階的高度、長度以及同軸探針的插入深度對匹配的影響較大。因此，可通過調節這些參數使匹配達到最優狀態。產生這種現象的原因是：探針的插入深度會影響電磁波激勵起場的位置，進而影響匹配；而階梯的尺寸會改變矩形波導的阻抗值，使矩形波導阻抗值逐漸過渡到與同軸線阻抗值相等。仿真結果如圖4所示，從圖4(a)中可見在13.8 GHz～16.0 GHz頻段范圍內駐波比小于1.2；圖4(b)的仿真數據可以得出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，帶內平穩，波動小；其中，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的仿真結果，其中，13.8 GHz～16.0 GHz頻段范圍內小于0.1 dB；調節階梯的尺寸可改變器件的匹配程度，可通過觀察Smith圓圖中曲線的變化情況，了解同軸波導轉換器中參數的變化對于整個同軸波導轉換器阻抗匹配的影響，有利于器件的調試與設計，加快器件的匹配優化進程。

圖4 單脊波導—同軸仿真結果

根據仿真得到的尺寸，用黃銅加工制作的同軸—波導轉換接頭，整個轉換接頭表面均采用鍍金處理，如圖5所示。輸入端為SMA接頭，輸出端口為標準波導，整個轉換接頭的長度為28 mm。

圖5 單脊波導—同軸轉換器實物圖

對加工制作完成的轉換接頭采用安捷倫矢量網絡分析儀進行測試，測試中采用兩個轉換接頭對接的方法測試端口的回波損耗。轉換接頭的測試結果如圖6所示。將兩個轉換接頭對接進行測試，結果顯示，在整個工作頻段范圍內轉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，整個頻段范圍內的駐波比基本保持在1.4以下，與仿真效果存在差異。

圖6 實物測試結果

分析產生誤差的原因有以下兩點：1）經過大量仿真實驗可以發現，階梯的高度以及探針的插入深度對于同軸—波導的轉換器的設計有較大影響。而在實物加工過程中，機械加工存在一定的誤差，導致臺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電膠粘貼在矩形波導內表面上，導電膠粘貼所致的階梯高度整體抬高以及臺階的粘貼位置的定位精準程度等都是導致仿真與實測結果產生較大差距的原因。為了克服這一系列問題，可以使用更為精密的儀器進行加工，降低工程誤差；也可以通過將器件沿窄邊軸線進行剖分，分為上下兩部分，分別進行加工，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的問題，盡可能地降低實物制作過程中的誤差。

3 結論

筆者對波導—同軸轉換器進行了研究，采用切比雪夫階梯阻抗匹配法，通過調節階梯的高度來實現良好的匹配，經過仿真驗證了設計思路的可行性，但實物測試結果與仿真結果存在誤差，經過對誤差產生的原因進行分析，進而提出了可行的修改意見。