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本文主要针对常用频段波导类微波器件实际调试和测试的工程需要，设计出结构简单、加工方便、 调试容易，并能覆盖较宽频带的探针激励形式波导同轴转换，该种形式的WCC 现已覆盖BJ32、BJ48 等标准矩形波导口径，带宽均已达到40%以上，并在上述波导口径所覆盖的全频带内获得优良的电气性能。

1.引言

在一个微波系统中，有时难免会出现两种不同类型的传输线，例如既有同轴线又有矩形波导，或既有同轴线又有微带线，把两种不同类型传输线连接起来的微 波元件称为激励器或转换器。由于激励器或转换器直接影响整个系统的性能，故而研究此类元件从而提高它们的性能显得十分重要[1]。然而激励器或转换器边界 条件十分复杂，要严格地进行理论分析十分困难，只有极少数结构较为规则的激励器可作定量分析，传统的研究方法主要依赖试验测定 和调节，设计周期较长，因此选择行之有效的仿真工具可大大提高设计效率。 为了满足工程需要，本文的波导同轴转换选用探针激励形式。根据现有的探针激励形式的波导同轴转换研究理论，结合以往的工程经验，利用Ansoft 公司的HFSS 软件进行仿真设计与优化，获得了优良的工作性能。这种波导同轴转换的带宽可以达到40%以上，基本 可以覆盖波导口径所对应的主模可用频带。

2.波导同轴转换设计与测试

2.1 波导同轴转换基本原理

常用波导同轴转换采用探针激励来实现，它的输出是通过作为同轴线内导体的细圆柱（即探针）插入矩形波导的宽壁来激励主模TE10 波的。在这种装置中，探针两边都将激励起电磁波，因此要很好的选择短路面的位置来使同轴线与波导之间很好的匹配。值得注意的是，金属探针还会激励起不少其 它的模式，如TE11、TE01、TE12、TM11、TM12 等，但只要选择合适的波导尺寸，使得λ g(其它模式） λ λg(TE10)，就能使其它高次模在靠近激励装置的附近就衰减了。一般情况下，根据传输功率的大小，所要求的频带宽度等激励装置都由经验确定。 激励装置应与波导很好的匹配，使大部分能量都传入波导。习惯上我们将探针作为一小天线向矩形波导辐射能量。波导同轴转换除了要求激励所需模式外还要 求输出最大功率，使激励装置与波导匹配，波导中不存在反射。探针天线向波导内辐射功率的大小，通常用探针的辐射电阻R 来表示，可以写成

可从上述（1）式中明显地看出：适当地选择探针的长度d和短路位置l 就能使辐射电阻R等于同轴线的等效阻抗Ze，这样就能保证同轴线探针的功率大部分传输到矩形波导中去。

2.2 分析与设计

在以往工程实践中可采用在探针上添加介质套、加粗探针顶端部分的方式来实现阻抗匹配和展宽带宽的目的。本文在设计中采用探针馈电的基本方式，结合既有的理论分析，参考以往工程实践经验，同时采用上述两种措施来进行设计。

由于探针在波导中相当于一个小天线，向四周辐射能量。其位置按耦合匹配要求而定， 比如，在电场波腹处，即宽边a 的中间，使得耦合最强。对于TE10波型，可将探针置于波导宽壁的中心线处。

若探针位于波导宽壁的中心线处，探针到波导短路位置的距离l 可取为λ g0/4 （λg 0是对应于中心频率的波导波长）。在实际的结构中，经过仿真调试，确定l 的选取在该长度附近。为了实现匹配，在探针上添加一个介质套，所用的材料选择工程上常用的Teflon （εr ＝2.1），这样可以有效的降低波导的等效阻抗，并能较少对频率的敏感性，从而达到改善匹配和展宽带宽的目的。

对于测试附件而言，要求在尽可能宽的频带内具有良好的电气性能。而若想扩宽波导同轴转换的频带，有效的抑制探针所激励出的高次模是非常重要的。除所 需的主模TE10 模之外，探针能激励起沿波导宽边具有奇数次电场变化的波，因此需要选择合适的波导尺寸，使得高次模得以衰减。由于介质套的引入与探针顶端部分加粗的影响， 容易在设计频带的高端频点产生TE11/TM11两种高次模。这两种高次模的截止波长λ c 均与矩形波导窄壁的内尺寸b 有关，[4]可以通过减小b 尺寸来降低高次模的截止波长，同时要保证探针到标准波导口面有一定距离（经过仿真验证该距离至少为λg /4 ），从而使高次模得到衰减，实现扩宽频带的目的。

2.3 建模与仿真

使用HFSS，建立模型，并进行仿真计算。完整的仿真模型如图1 所示，仿真结果如图2 与图3 所示：

图1 波导同轴转换仿真模型

图2 BJ120口径波导同轴转换仿真结果 图3 BJ40口径波导同轴转换仿真结果

BJ40 波导同轴转换频段为3.4GHz～4.8GHz，仿真得到回波损耗优于-31dB；BJ120 波导同轴转换频段为 9.5GHz～15GHz，仿真得到回波损耗优于-25.5dB。 还可以采用使探针偏离波导宽壁中心的方式，减少对频带的敏感性，以便达到展宽频带的目的。目前采用此种偏心方式，经过仿真已能覆盖BJ32、BJ48 等常用矩形波导口径对应的主模工作频段，回波损耗优于-28dB。 采用偏心馈电方式的波导同轴转换如图4所示：

图4 偏心波导同轴转换仿真模型

仿真结果如下图：

图5 偏馈形式 BJ32 口径波导同轴转换仿真结果 图6 偏馈形式BJ48 口径波导同轴转换仿真结果

BJ32 波导同轴转换工作频段为2.6GHz～4.0GHz，仿真得到回波损耗优于-28dB；BJ48 波导同轴转换频段为 3.5GHz～6.0GHz，仿真得到回波损耗优于-28.5dB。

2.4 实测结果

根据设计方案制作加工了BJ40 和BJ120 两种口径的波导同轴转换，使用Agilent E8363C 矢量网络分析仪进行器件的测试，完成对仿真结果的验证。所加工的波导同轴转换实物如下图：

图7 BJ40 口径波导同轴转换实物 图8 BJ120 口径波导同轴转换实物

加工的两种波导同轴转换如图9 与图10 所示：

图9 BJ40 口径波导同轴转换测试结果 图10 BJ120 口径波导同轴转换测试结果

BJ40口径测试频段为3.4GHz～4.8GHz，测试结果优于-28dB，BJ120 口径测试频段为9.5GHz～15GHz，测试结果在绝大部分频段优于-21dB。

2.5 误差分析

从测试结果可以看出，BJ40口径的波导同轴转换实测结果与仿真曲线符合得很好，而BJ120 口径的波导同轴转换实测结果与仿真曲线有一定差别。这是由于实验用的BJ120 口波导同轴转换采用SFT-50-2-1 的半钢同轴电缆外皮作为探针加粗部分，而非专门加工制成，焊接后探针实际尺寸与仿真尺寸有一定的差异，对器件驻波特性影响较大。通过实际装配调试，可以看 出波导同轴转换的装配工艺水平会对器件的电气性能有直接影响，装配精度越高， 实测的结果与仿真结果符合度越好。工作频段越高，对器件的加工、装配工艺的精度要求越高。

3.结论

本文依据现有的波导同轴转换和波导理论，结合工程实践，提出了一种能覆盖矩形波导常用口径型号的波导同轴转换，并利用HFSS 仿真软件对工程设想进行有效的设计和优化，达到了令人满意的效果。该形式波导同轴转换工作带宽基本超过40％，绝大部分频段回波损耗优于-25dB，具有良好的工作特性，并且结构简单，无需过多的组装和调试，具有很强的工程实用特性。

关键词： 超宽频带 波导同轴转换 HFSS仿真 BJ40口径 BJ120口径