寬帶雙脊波導-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）

1 引言

波導-同軸轉換器是雷達系統、精確制導系統和微波測試系統中極其重要的無源連接器件[1]，為適應寬帶系統的應用需求，寬帶波導同軸轉換器也被廣泛地設計研究[2]。脊波導就是在矩形波導寬邊中心處向內突出，它其實是矩形波導的一種變形結構，相對于矩形波導而言，脊波導具有工作頻帶寬、等效特性阻抗低、尺寸小的特性[3]。雙脊波導相對于矩形波導而言具有更寬的單模工作帶寬和更低的特性阻抗。基于脊波導的上述特性，設計了一種寬帶雙脊波導到同軸的轉換器。

同軸波導轉換器將同軸的內導體插入波導腔體中，同軸的內導體在波導中相當于一個探針，該探針會將同軸線傳輸的能量經過探針頭部輻射出去，在波導中激勵起的電磁場就會完成探針和波導間的能量交換[4]。在波導中，探針的插入會引起不連續性，進而產生無窮多的高次模，而波導中只能傳輸主模，不能傳輸的高次模會聚集在探針的周圍產生電抗效應，通過雙脊結構引入階梯匹配結構以及調整探針插入的位置可以在很大程度上抵消高次模引入的電抗[5]。

目前，同軸-波導轉換接頭探針的插入方式有兩種，一種是直插式結構，另一種為后饋式結構，直插式的分析方法主要是模式匹配思想，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，結構不夠緊湊，也不利于系統間的級聯。本文設計的同軸波導轉換器采用后饋式結構，其同軸線的輸入端口與波導輸出端口處于同一水平線上，有利于系統間的級聯[6]。

同軸-波導轉換主要是模式轉換和阻抗匹配，同軸線傳輸的是TEM波，脊波導的主模是TE10模，而同軸波導轉換器要實現的是從同軸線TEM到波導的TE10模之間的轉換，而標準同軸的特性阻抗是50 Ω，波導的特性阻抗大于120 Ω，而同軸波導的阻抗匹配就是從同軸線的50 Ω到波導的高阻抗之間進行匹配[7]。本文中轉換器的設計思路是：采用同軸探針從矩形波導后壁插入波導腔體內的方式，引入一同軸探針耦合，在矩形波導中激勵起電磁場，從而將同軸傳輸線中傳輸微波功率導向到波導中，但直接導入會由于端口的不匹配產生很大的反射，所以在波導中再通過多節階梯阻抗變換器來調節波導阻抗值，以減小反射量，并讓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。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。

2 寬帶雙脊波導-同軸轉換器的仿真設計

通過對單脊波導-同軸轉換器的研究發現，這種結構的轉換器，其帶寬依然沒有達到預期效果。由于標準的同軸線的阻抗很低，而波導的阻抗值又比較高，要想擴寬單脊波導-同軸轉換接頭的匹配帶寬，就必須通過增加多節阻抗變換器的支節數，但考慮到整個器件的物理尺寸，增加臺階數并不是一種最優的解決途徑。考慮在不改變整體外形尺寸的情況下，更好地解決阻抗匹配的問題，采用階梯阻抗匹配與波導上表面加脊的方式來調節阻抗匹配，使其能夠引入更多改變矩形波導阻抗值的因素，使調節匹配的途徑更多，實現更寬頻帶的阻抗匹配[2]。

為了驗證設計方案，在HFSS中建立了仿真模型，其中同軸線的特性阻抗設置為50 Ω。通過查閱資料可以得出：同軸探針的輸入阻抗與探針的直徑，探針插入腔體的長度以及頻率都存在關系[5]。因此，調節探針的插入深度和探針直徑，也能在同軸-波導轉換器的匹配過程中起到微調的作用，使其在較寬的頻帶范圍內，保持較小的損耗。為了簡化設計的復雜度，便于系統間的級聯，本設計采用SMA同軸接頭，確定了SMA同軸接頭的型號就無法改變探針的直徑，故只對探針插入波導腔體的長度進行調節，采用軟件進行優化，觀察插入長度對于匹配程度的影響，從而確定最優的插入波導腔體的長度。

具體設計參數如下：其中，第1臺階的高度為5 mm，長度為4.8 mm，寬為2 mm；第2臺階高為4.3 mm，長為3.6 mm，寬為2 mm；第3臺階高為3.2mm，長為3.7 mm，寬為2 mm；第4臺階高為1.5 mm，長為3.7 mm，寬為2 mm；激勵探針的長度為2.2 mm，臺階距離同軸到波導的交接面處的距離為2 mm，矩形波導的長寬高分別是18 mm、15.8 mm、7.9 mm。見圖1。

圖1 雙脊波導-同軸轉換器結構示意圖

設計先通過理論計算得出一個最初的模型尺寸，然后通過HFSS仿真軟件進行優化調試，使匹配達到最優。最終得到的仿真結果，在12.6 GHz～16.6 GHz頻段范圍內，S11＜-20 dB，帶內波動大，并不適用于對帶內波動要求較高的系統；S22仿真數據與S11基本一致，其中S22＜-20 dB的帶寬為12.6 GHz～16.7 GHz，同樣帶內波動比較明顯，接近中心頻率的地方出現明顯的反射波增強的現象；12.6 GHz～16.8 GHz頻帶范圍內小于0.07 dB，傳輸損耗較小。

根據仿真模型尺寸進行實物加工，加工材料選用黃銅，完成后在表面進行鍍金處理。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。見圖2。

圖2 雙脊波導-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實物測試。測試采用兩個轉換接頭對接的方法，測試端口的回波損耗。端口的回波損耗測試結果見圖3。結果顯示：在整個工作頻段范圍內轉換接頭的性能良好，但在14 GHz～16 GHz頻帶范圍內輸入端的損耗增大，器件性能惡化。從圖中可得出：回波損耗整體都保持在-15 dB以下，與仿真結果存在一定誤差。經過分析產生這些偏差的最主要因素有以下幾點：（1）在大量仿真優化中發現，耦合探針的粗細，長度以及在波導中的位置都會對仿真結果出現較大影響，當探針過粗的時候甚至會出現全反射的情況[5]。而在實物加工過程中，探針的插入深度由于工差的存在，使得實測結果存在一定的偏差；（2）仿真優化過程中，還發現階梯的高度對于同軸-波導的轉換器的性能影響也比較大，而階梯以及上表面單脊均采用導電膠粘貼，所以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。為了將誤差降低，可通過使用更為精密的儀器進行加工，但是這樣也會增加加工制造的成本。或者可將器件沿著波導的窄邊軸線進行剖分，分為兩部分進行加工，之后再將波導兩部分采用螺釘固定在一起，這樣就能避免由于導電膠粘貼而導致的階梯整體高度增加以及階梯粘貼定位精準的問題。

圖3 實物測試結果

3 結語

本文分析了脊波導同軸轉換器的工作原理以及匹配方法，對雙脊同軸-波導轉換器進行了研究。在HFSS中建模仿真，通過調節階梯的高度以及探針插入的深度進行優化，最終實現了良好的匹配，經過仿真驗證了這種轉換器可實現寬頻帶的波導與同軸的轉換。但雙脊波導-同軸轉換器對于加工工藝難度以及精度要求都非常高，導致實物與仿真結果存在偏差，本文對產生誤差的原因進行了分析并提出了可行的改進方法。