UHF宽带同轴-矩形波导转换器新结构

waveguide junction with dielectrically sheathed probe [J].Electronics
Letters， 1992， 28（3）：240-241.
笕
作者简介：
刘 建 生 （1984-），硕 士 生 ，研 究 方 向 为 微 波 Biblioteka Baidu 卫 星 通 信 ；
式的电磁波。为了在宽频带内有良好的阻抗匹配，插入波 导腔的内导体探针做成阶梯状的， 并且在矩形波导宽壁 上设置若干调谐螺钉。
3 宽带同轴-矩形波导转换器原理
如图 1 所示，波导采用宽边阶梯探针激励，因此矩形
116 电视技术 2009年第 33 卷第 S2 期（总第 332 期）
Parts & applications
CW klystron for the KOMAC by using MAGIC2D [J].Journal of the
Korean Physical Society， 2005， 46（6）：1433-1438.
[4] KEAM R B， WILLIAMSON A G. Analysis of coaxial-line/rectangular
波导宽边中心电场最强，所以在此设置同轴输入端口。同
轴线的外导体与矩形波导的宽壁连在一起， 一个延长的
内导体伸入到一个矩形波导里，相当于一个小辐射天线，
将从同轴线馈入的微波能量馈入到波导腔内。 为使能量
单方向传播，在波导中距探针 l 处设置了一个短路活塞，
适当调节距离 l，使微波在波导腔内经过多次反射，而有
【中图分类号】 TN814
【文献标识码】 A
New Structure of Broad Band Coaxial-Rectangular Waveguide Transition in UHF Band
LIU Jian-sheng, JU Ji-long, LI Qin （Beijing-Lund Broadcasting Technology Lab, Communication University of China, Beijing 100024, China ） 【Abstract】 A broad band coaxial-rectangular waveguide transition at UHF-band is developed in this paper. This transition employs a new structure that a stepped probe and two tuning screws in the broad wall of the rectangular waveguide are selected. The transition' s performance has been tested practically. The result is characterized by a total return loss below -31 dB in the 490~ 750 MHz frequency band （rectangular waveguide' s TE10 single-mode operation bandwidth） and below -30 dB in the 483~782 MHz frequency band. 【Key words】 broad band; UHF band; coaxial line; rectangular waveguide; mode transition
5 加工测试
测试系统一般没有波导的校准件， 因此笔者拟研制 背 靠 背 的 一 对 “31/8″-WR1500（1/2）” 转 换 器 ， 然 后 进 行 测 试。 加工图纸画好后，交由外协单位进行机加工，同轴线 外导体为黄铜，内导体为铝镀银，矩形波导壁和阶梯探针 都为铝合金。 加工尺寸严格控制在 0.1 mm 左右。
居继龙 （1964-），教授 ， 博士 生导师 ， 研究 方向 为广 播电视 天馈 系
统及大功率无源器件的开发；
通过测试结果与仿真结果的比较分析，可以得出： 1） 螺钉的插入确实有利于改善同轴线与矩形波导
李 钦（1985-），硕士生，研究方向为微波与卫星通信。
责任编辑：任健男
收 稿 日 期 ：2009-04-16
3） 图 5 中，S11 与 S22 不重合，原因是同轴线端口和匹 配螺钉不在一条轴线上。 图 5 比图 2b 的指标略差。
4） 根据图 5，本文的转换器在 490~750 MHz 的频段 内（矩形波导 TE10 单模工作带宽），回波损耗低于-31 dB， 在 483～782 MHz 的频段内回波损耗低于-30 dB。 从而很 好的实现了要求的宽带表现。同时，阶梯探针和调谐螺钉 边缘处都被倒上了圆角，因此不存在电场击穿的危险，所 以它可用于高功率微波传输。
-2iβl
1-e
22
tan k0·
d 2
（3）
式中：l 为短路位置；d 为探针插入深度；a 和 b 分别是 波
导的宽和高。
从上面等式可看出，通过适当调整参数 l 和 d，使 R0 等于同轴线的特性阻抗， 并通过在矩形波导宽壁上插入
螺钉，引入一适当的电抗去抵消电抗 jX，则可拓宽带宽。
4 结构仿真
在本节中， 需要对 UHF 波段的宽带同轴－矩形波导转 换器进行设计。 因为 UHF 波段的频率范围是 470~860 MHz， 矩形波导选为 WR1500。 但是为了增加同轴-矩形波导转 换器的带宽， 把标准 WR1500 的高度减低一半。 对于高 度 减 半 的 WR1500（下 文 称 作 WR1500（1/2）），它 的 内 壁 横截面尺寸是 a×b=381 mm×95.25 mm，TE10 单 模 工 作 的 频率范围仍然是 490~750 MHz，功率容量可达到 200 kW。
另外，由于在矩形波导中插入了探针，并在宽壁上开
了孔，在同轴-矩形波导转换处引入了电抗，造成波的反
射，使同轴线与波导的失配加剧。 令输入阻抗为 Zin=R0+ jX，采 用 积 分 的 方 法 ，得 到 探 针 的 辐 射 电 阻 表 达 式 [1]
R0=
2
2P
2
=
Z0
2
I0sin k0d 2abβ10k0
2 宽带同轴-矩形波导转换器新结构
提出的转换器新结构，其典型结构如图 1 所示。 图 1 中， 宽带同轴－矩形波导转换器包括一端短路 的矩形波导，另一端为输出端，输出端设有一法兰，作为 转接器与其他微波器件相连； 同轴线与矩形波导宽边垂 直，它的外导体与矩形波导宽边连接，内导体的延伸部分 （阶梯探针）插入到矩形波导中，在波导中激励出 TE10 模
因为阶梯探针部分对转换器性能影响较大， 因此把 该部分做成了可调的。为了增加功率容量，阶梯探针和调 谐螺钉边缘处都倒上圆角，如图 3 所示。组装后的实物照 片如图 4 所示。
对 加 工 好 的 背 靠 背 的 一 对 “31/8″-WR1500（1/2）”转 换器进行了测试，测试用 Agilent E5601A 网络分析仪。 图
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《电视技术》简介
《电视技术》（刊号：ISSN 1002-8692；CN 11-2123/TN） 月 刊 （每月 17 日出 版）创 刊于 1977 年，由电 视电 声研 究所 （中国电 子科 技 集 团 公 司第三研究所）主办，北京电视电声杂志社编辑出版。
Z0=377·
λg λ0
·2b a
（2）
姨 波导波长 λg=
λ0 。 1- λ0
λc
为实现从同轴线低阻抗（一 般 是 50 Ω）到 波 导 高 阻
抗（一般大于 377 Ω）的过渡，对同轴线来说，需要引入阶
梯阻抗，对矩形波导来说，需要引入调谐螺钉改进匹配。
这样才能使转换器在较宽的频率范围内实现阻抗匹配。
1 引言
在微波系统里， 能将一种传输模式转换成另一种传 输模式的元件，称为模式转换器。矩形波导由于在工作带 宽内的衰减非常小， 常用在大功率电视天馈系统和大功 率速调管微波系统里， 因此同轴－矩形波导转换器就成 了这些微波系统里不可缺少的元件之一。 对模式转换器 的基本要求是：1） 驻波比小和插入损耗低；2） 在很宽的 带宽里具有很好的匹配；3） 加工方便。因此，如何实现简 便、 宽带的同轴－矩形波导转换器就成了人们关注的课 题 。 [2-4] 目 前 ，市 场 上 可 以 买 到 很 多 同 轴－矩 形 波 导 转 换 器， 常用的有 Doorknob、T-bar 和 Dielectrically Sheathed Probe 式的同轴－矩形波导转换器 ， [5-8] 但工作带宽都不是 太理想。 UHF 同轴-矩形波导转换器有多种多样的结构 形式，采用不同结构形式的目的无非是两个：展宽频带和 提高功率容量。 因此笔者研究了一种既能展宽频带又能 兼顾功率容量的同轴-矩形波导转换器新结构。
器件与应用
文 章 编 号 ：1002－8692（2009）S2-0116-03
UHF宽带同轴－矩形波导转换器新结构 ·实用技术·
刘建生，居继龙，李 钦 （中国传媒大学 京隆广播技术研究所，北京 100024）
【摘 要】 研制了一种 UHF 波段宽带的同轴－矩形波导转换器。 这种转换器采用了新结构，它的同轴探针呈阶梯状，并在波 导 宽 壁
效地单方向传播。
虽然设置短路活塞，可以使波更有效地单方向传播，
但要实现宽带匹配还是远远不够的。 对于内导体直径为
准1，外导体半径为 准2，两导体间填充空气介质的同 轴线 ， 它的特性阻抗公式为
Z0=60ln
准2 准1
（1）
对于宽为 a，高为 b，里面填充空气的矩形波导，主模
TE10 模的特性阻抗被修正为
参考文献：
[1] 柯 林 R E. 微 波 工 程 基 础 [M]. 吕 继 尧 , 译 . 北 京 ： 人 民 邮 电 出 版 社 ，
1981.
[2] BIALKOWSKI M E. Analysis of a coaxial-to-waveguide adaptor incor-
5是转换器回波损耗的最佳表现曲线。
porating a dielectric coated probe[J].IEEE Microwave & Guided Wave Lett.， 1991， 1（8）：211-214.
[3] JANG L B， KIM H J， CHOI J J. Simulation of a 700-MHz， 1-MW
根据转换器的功率 场 合 笔 者 选 择 了 标 准 的 31/8″同
轴线作为输入端口，同轴线内导体外径是 33.4 mm，外导 体 内 径 是 76.8 mm。 同 轴 线 内 导 体 伸 入 矩 形 波 导 腔 一 段距离，它的末端再连接一个导体圆盘。两个调谐螺钉的 直径都是 20 mm。 对于“31/8″同轴线－WR1500（1/2）矩形 波导” 转换器， 同轴线和矩形波导内填充的介质都为空 气，空气相对介电常数为 εr=1。 模型基本尺寸确定后，对 COMSOL Multiphysics 3.4 进行了仿真和优化。 图 2 给出 了 单 个 “31/8″-WR1500（1/2）”转 换 器 和 背 靠 背 一 对 “31/8″ -WR1500（1/2）”转换 器 ，经 调 试 、优 化 后 ，最 佳 的 回 波 损 耗特性曲线。
117 No．S2 Vol.33 2009（Sum No．332 ） VIDEO ENGINEERING
器件与应用
的匹配，螺钉 1 对调谐起主要作用，螺钉 2 起微调作用。 2） 图 5 与图 2b 的 波 形 相 似 ，说 明 仿 真 结 果 与 测 试
结果符合得很好，通过测试也发现，转换器最佳表现时其 尺寸与模拟尺寸的误差为±1 mm。
上 配 有 2 个 调 谐 螺 钉 。 经 测 试 ，转 换 器 在 490~750 MHz 的 频 段 内 （矩 形 波 导 TE10 单 模 工 作 带 宽 ），回 波 损 耗 低 于-31 dB，在 483～
782 MHz 的频段内回波损耗低于-30 dB。
【关键词】 宽带；UHF 波段；同轴线；矩形波导；模式转换器