同轴波导转换

L波段同轴线—矩形波导转接头的宽带设计与实现

刘建生居继龙张良

(中国传媒大学京隆广播技术研究所，北京 100024)

【摘要】文章介绍了L波段同轴线—矩形波导转接头的一种理论模型，并对转接头的输入阻抗和带宽进行了研究。经过研究发现，转接头的带宽特性可以通过改变探针形状和在矩形波导宽壁上添加若干调谐螺钉而得到充分改善。最后，利用基于有限元方法的三维电磁仿真软件COMSOL Multiphysics 3.4，对这种模型进行了全波分析和优化，最佳传输特性能够实现在全波导带宽内（1.13~1.73GHz）回波损耗-28dB以下，从而验证了这种结构的可行性。

【关键词】L波段；宽带；转接头

Design and Realization of Broad Band Rectangular Waveguide-Coaxial

Adapter at L-band

LIU Jian-sheng, JU Ji-long,ZHANG Liang

(Beijing-Lund Broadcasting Tech Lab, Communication University of China, Beijing 100024)

Abstract:The paper describes a theoretical model of coaxial-rectangular waveguide adapter at L-band. Input impedance and band width for the adapter is researched. After a careful investigation, we found that the bandwidth of the adapter could be fully improved by changing the probe shape and adding some tuning screws at the broad wall of the rectangular waveguide. In the end, the full-wave analysis and optimizing of a L-band coaxial-rectangular waveguide adapter are presented, using three-dimensional electromagnetic simulation software COMSOL Multiphysics 3.4 which is based on Finite Element Method. The optimal results show that the return loss from the coax-to- rectangular waveguide transition is better than -28 dB at the total bandwidth (1.13~1.73GHz) of corresponding rectangular waveguide. The result shows the structure is feasible.

Key words: L-band; Broad band; Adapter

1.引言

在广播电视发射系统和微波通讯领域中，同轴—矩形波导转换接头是一个不可缺少的元件。在好多微波系统里，例如天线、发射机、接收机和载波终端设备等，普遍用到了同轴波导转换接头。在微波输入、输出电路中，较强的反射波将可能对发射机或其它级联器件的正常工作造成严重干扰,导致微波系统性能不稳定，因此对转换的基本要求是：(1)低驻波、低的插入损耗；(2)有足够的频带宽度；(3)便于设计加工。

到目前为止，宽带同轴波导转换的方法主要有：利用阶梯波导转换、探针套介质转换等。阶梯波导转换是一种有良好过渡特性的结构，但需要精确的机械加工，体积也较大；探针套介质转换型接头的同轴内导体用介质套住，虽然这样降低了波导的等效阻抗，减小了阻抗对频率变化的敏感性，从而展宽了频带，但是，加了介质套筒后，会降低转换器的功率容量，因此这种装置多用于功率较低的情况。而且据[8]报道，内导体加介质护套对电大尺寸的转接头并不能改善带宽，但对电小尺寸的转接头，在低介电常数时，可以增加带宽。

Ｌ波段卫星数字声音广播具有广播质量高、覆盖面广等特点，随着Ｌ波段卫星数字音频广播技术的迅速发展以及手机电视T —DMB 在L 波段的覆盖，最近我们对L 波段的同轴—矩形波导转接头进行了研究。该器件在相应矩形波导（WR650）单模（TE 10模）工作的全部带宽内（1.13~1.73GHz ）具有良好的驻波系数。

2. 理论分析

波导接头的分析和设计，属于波导中的不连续问题。图1表示探针激励的同轴—矩形波导转接头。要精确地确定接头的带宽和反射特性，关键是找出从同轴端看进去的输入阻抗的实部和虚部，它们是由插入波导内探针的自由感应电流导出的。由于在矩形波导中插入了探针，并在宽壁上开了孔，从而造成结构上的不连续性，这必然会在同轴线与波导的连接处产生高次模。但是，这种高次模在距连接处稍远的区域内会很快地衰减掉(因为波导对它们是截止的)。

图 1 探针激励波导

现在假设波导内壁和探针均为理想导体，探针在矩形波导宽边的正中位置。考虑电流对探针的激励，忽略其它任何的电磁耦合，那么该接头从同轴向波导看进去的输入阻抗为：

()432in 2in R Z x x x j dv I J E in

+++=•−=∫ (1) 式中E 为分布在探针体积v 上的电流J 在波导内产生的电场， I in 是输入电流，R in 是输入阻抗的实部，x 2、x 3、x 4是输入阻抗的虚部，x 2是矩形波导中TE 10主模产生的电抗，x 3、x 4是高阶模引起的电抗。

在TE 10单模工作频率范围内，因为高阶模可截止，因此x 3、x 4电抗忽略不计。R in 、x 2分别表示为： ()()()())/12(sin 2/1120)/1(sin 2/12402122222212222ka kL kh tg ka abk x ka kL kh tg ka abk R in ππππππ−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=

(2)

因此，从同轴端看进去的输入反射系数为：

in 0in Z Z Z Z +−=Γ (3) 其中Z 0是同轴线的特性阻抗。通过反射系数和回波损耗的关系，就可计算出矩形波导—同轴接头的回波损耗特性。虽然适当地选择L 1、h 的尺寸，能使接头在工作频段内输入阻抗的电阻部分接近于同轴线的特性阻抗，从而得到低回波损耗的同轴—矩形波导转接头，但是带宽很有限。为实现从同轴线低阻抗（一般是50Ω）到波导高阻抗（一般大于377Ω）的最佳过渡，对同轴线来说，需要引