同轴-波导转换器

同轴波导转换器

一． 激励准则

将坡印亭定理应用于激励耦合问题，可推出解决这类问题的激励准则。 假设E 和H 是波导中某一模式的电场和磁场，*e J 和m J 是外加的等效电流源

和磁流源，及探针。如果()0e m V

E J H J dv **+=⎰那么该种模式的场是不能被激励

的，否则是可以被激励的。

从这条准则可知，要使电磁波同轴与波导之间有效转换，应使探针位于E 最强，且方向与其平行的位置；或者使用环状探针，放在H 最强，且环平面与其垂直的位置。

二． 半封闭矩形波导的TE 10模式

在给定的边界条件下求解核姆赫兹方程，可得半封闭波导的TE 10模式的解析

解：

0,0

sin

sin sin cos cos sin x z y y z z x z z z z E E H x E A k z a iAk x

H k z a iA x H k z a a k ππωμππωμ======-

=（z 的零点取在封闭端）

以L 波段WR-650波导为例，用HFSS 软件分析其内部场分布以及波壁上的电流分布情况。WR-650的参数如下：内部尺寸165.1mm ×82.55mm ，外部尺寸169.16mm ×86.66mm ，工作频带1.12GHz-1.70GHz ，截止频率0.908GHz 。

图1.电场分布图2.磁场分布

分析结果与理论计算一致。且动画显示，半封闭波导内的波模是驻波。

图3.波导壁上的电流分布

比较图1和图3可以发现，波导壁上的电流分布与波导内部与其平行的平面上的电场分布相同。

三．同轴探针的最佳安装位置

根据以上的分析可知，探针应安置在距封闭端1/4（或3/4,5/4,…）波长的位置，且垂直于并位于宽边中央。

图4.OMT示意图

图4中使用的波导是上面提到的WR-650，同轴线是RG-8A/U，其参数如下：

内导体直径0.0855in，外直径0.285in.探针取在距封闭端50mm位置处，插入深度50mm，用HFSS分析其端口，S11和S12情况如下

俄

图5.S参量分析结果（1端口为波导端口，2端口为同轴端口）

探针与封闭端距离d=50mm，相对于工作波段，大约为1/4个波长，所以应当有很好的转换效果。分析结果显示两端口间的传输系数S12和S21接近于1，而两端口各自的反射系数S11和S22分别都接近于0。可见，软件分析结果与；理论分析是一致的。

通过改变d=50mm+k的大小，分析S参量的情况可以进一步检验理论分析。从图6可以看出在d=50m俄m和d=150mm附近处，该转换器的耦合效果最佳。d=50mm和d=150mm分别对应着大约1/4波长和3/4波长的长度。这与理论的分析也是相当吻合的。

图6.改变d=50mm+k的值，相应的S参量的变化情况

四．探针的深入长度

探针类似于一个单边的振子，只不过通常的振子天线是用在自由空间中，而这儿是一个束缚的空间。但仍可以用分析振子天线的方法来分析探针的辐射。振子天线通常取1/4波长长度。因为在谐振的情况下，每1/4个波长的传输线上的电荷电性相同，且电荷密度同步变化，电性同时反转。所以每1/4波长长度上的电流是相干的，所以它的辐射也是相干的，因此能获得最强的辐射。探针也是类似的，在垂直于探针本身的方向有一边是开放的，且这个方向是辐射最强的方向，所以振子天线的分析方法在这个方向上仍然有参考意义的。当然，这个分析方法用在这儿是不太严密的。

图7中的变量g是附加在探针深入的初始长度50mm上的一个变量。可以看出，当缩短和加长探针深入长度时，耦合效果迅速变差；50mm附近是探针深入长度的最佳选择。这个长度正是约为1/4波长的长度。

图7.改变探针的插入深度，S参量的变化情况

五．改变探针的形状以获得更好的耦合效果和可用带宽

从图1的电场分布情况可以看出，在距封闭端1/4波长处，以宽边中点连线为轴心，直径大约为宽边的一半的圆柱体范围内电场强度都很强。所以可以考虑增大探针半径大小，以充分利用场强的分布。另一方面，当探针半径太大时，会引起波导内场强分布的根本性改变，而使得这种方法使用的前提被破坏，反而得不到预期的效果。所以，探针的粗细有一个最优值。

另外，要使得转换器在一个较宽的频带上每个频率处都有较好的耦合效果，探针长度这个因素也应充分利用，可以尝试将探针前段做成锥形或楔形。

待续……