同轴波导转换器的分析与设计

第24卷增刊微波学报V ol.24Supplement 2008年10月JOURNAL OF MICROWA VES Oct.2008 8-18GHz同轴-波导转换器的分析与设计

魏振华田立松冯旭东尹家贤胡粲彬

（国防科学技术大学电子科学与工程学院一系，长沙410073）

摘要：同轴—波导转换器是微波系统中非常重要的元器件。基于脊波导和波导阶梯对导播系统中电磁波传播性能的影响，本文探讨了这两种结构应用在8-18GHz的宽带同轴—波导转换器设计中的情况。通过同轴—脊波导—矩形波导转换，并在脊波导上加载阶梯，很好地改善了阻抗匹配效果，提高了同轴—波导转换器的传输性能。仿真结果证明脊波导和波导阶梯在设计同轴—波导转换器中的有效性，在8-18GHz的倍频程带宽内驻波小于1.22，产生的高次模非常小。

关键词：同轴—波导转换，脊波导，波导阶梯阻抗变换

Analysis and Design on8-18GHz Coaxial-Waveguide Transition

WEI Zhen-hua,TIAN Li-song,FENG Xu-dong,YIN Jia-xian,HU Can-bin

(College of Electronic Science and Engineering,NUDT,Changsha410073,China)

Abstract：Coaxial-waveguide transition plays an important role in microwave system.Based on the influence of ridge waveguide and waveguide ladder exerted on transmission performance of electromagnetic wave in guided wave system,this paper discussed the situations of these two structures applied in the8-18GHz broadband coaxial-waveguide converter designation.Through the conversion of coaxial-ridge waveguide-rectangular waveguide,and ladder loading of ridge waveguide,the effectiveness of impedance matching is well-improved,and the transmission performance of coaxial-waveguide converter is highly-advanced.Simulation results proved the effectiveness of ridge waveguide and waveguide ladder in designing coaxial-waveguide converters.The VSWR of coaxial-waveguide transition designed in this paper is less than1.22in the8-18GHz octave bandwidth,and the high modulus produced is very small.

Key words：Coaxial-waveguide transition,Ridge waveguide,Waveguide ladder impedance transformation

引言

同轴波导转换器在微波系统中应用非常广泛，是雷达设备、精确制导和微波测试电路中的重要无源连接器件。其设计的基本要求是：低驻波、低插入损耗。

同轴波导转换器的相对带宽比较小，驻波小于1.1时最多可以达到10%的带宽[1]；在同轴腔体内设置周期性光带隙（PBG）的内导体介质支撑垫、矩形波导内设置阶梯阻抗变换，这种设计方法在25-40GHz的带宽内驻波小于1.25，但相对带宽只有46%[2]；利用波导阶梯变换，在714-2500MHz的带宽内驻波小于1.74，但是驻波小于1.22的带宽范围只有其中的850-1150MHz[3]。但是以上两种设计在超过倍频程的带宽时产生的高次模会比较大，影响传输性能。

本文所设计的8-18GHz的超宽带同轴波导转换器，工作频带超过倍频程，相对带宽达到72%，设计要求频带内驻波小于1.22（即回波反射小于-20dB），而且要求频带内高次模非常小。同轴电缆采用常用的外半径为2mm，内半径为0.6mm，介电常数为2.08的标准50Ω同轴电缆。

1理论分析

矩形波导中插入了探针，并在宽壁上开孔，这在波导同轴转换处引入了电抗，造成波的反射，使

*收稿日期：6

2008-04-0

微波学报2008年10月

126得波导与同轴线的阻抗失配加剧。本文采用同轴—脊波导—矩形波导的转换。

假定脊形波导中传输的是TE n0波，利用等效横向传输线法，把截止时电磁波在二窄边之间来回反射，看作是电磁波在横向传输线产生振荡。若脊形波导的长度远大于工作波长，则横向来回振荡的电磁波就可认为是TEM 波。从振荡条件导出的谐振波长，就是脊形波导的截止波长λc 。

以此理论来分析双脊波导，可以把它看作横向谐振线。由于谐振时传输线任何参考面总的电纳应该为零，以不连续处T 作为参考面，研究其谐振条件。此处的总电纳由三部分构成：第一，等效导纳为Y 0，长度为(a -a ′)/2的终端短路传输线的输入电纳；第二，T 参考面左面的复合传输线输入电纳；第三，参考面T 处由于不连续性产生的电纳。在计算第二部分的电纳时，作如下简化：从TE n0波的电场分布来看，对奇模（n=奇数），波导宽边的中点是电波腹，即等效电压的波腹，从中点向左看，相当于开路，因此，参考面T 左面的复合传输线输入电纳就是等效导纳为Y ′0长度为a ′/2的终端开路传输线的输入导纳；对偶模（n=偶数），波导宽边中点是电场和等效电压的波节，因此参考面T 左面复合传输线的输入电纳是等效阻抗为Y ′0长度为a ′/2的终端短路传输线的输入导纳。图2给出了TE 10、TE 20和TE 30波在波导截面上的电场分布以及相应的等效电路，其横向谐振条件如下：

奇模：0

00

tg ctg

()0

c c

Y B a a a Y Y ππ

λλ′′′+=偶模：

00

ctg ctg

()0c c

Y B a a a Y Y ππ

λλ′′′+=其中，Y ′0/Y 0=b/b ′，B/Y 0是突变面T 处的归一化电纳，它可由脊形波导横截面尺寸决定。可以利用MA TLAB 来求解上述超越方程，表1给出了TE 10在b/a=0.5的双脊波导中的截止波长。表中λc /a 值作为a ′/a 值的函数列出，而b ′/b 作为参数。

表1

TE 10在b/a=0.5的双脊波导中的截止波长

b ′/b=0.1b ′/b=0.15

b ′/b=0.2b ′/b=0.25a ′/a λ

c /a a ′/a λc /a a ′/a λc /a a ′/a λc /a 0.05 3.6520.10 3.6230.10 3.2860.10 3.0600.10 4.1110.20 4.0850.20 3.6460.20 3.3490.15 4.5000.25 4.2480.30 3.8690.25 3.4530.20 4.7630.30 4.3701/3 3.9170.30 3.5290.30 5.1640.40 4.5090.40 3.9761/3 3.5670.40 5.3680.50 4.5180.50 3.9770.40 3.6140.50 5.397

0.60 4.396

0.60 3.871

0.50 3.609

从表1可以看出，对主模TE 10波，λc /a 值均大于2。而同样尺寸矩形波导TE 10波的λc /a=2，因此脊形波导的截止波长一般比同样的矩形波导的大，即脊波导的单模工作带宽要大于同样的矩形波导。

而矩形波导的等效阻抗为

2

1()e w c

b b Z Z a a μελ

λ==

TE 10

a 2

′a-a 2

′0Y ′

Y jB

TE 30

TE 20

T a ′a

T

E

a 2

′

a-a 2

′图1

双脊波导及其等效电路

T

a a ′

b ′

Y 0

Y ′0jB λc

λc

T

b

图2TE 10、TE 20、TE 30场分布及等效电路