同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

1、學(xué)校代碼：學(xué)385分類(lèi)號(hào):學(xué)號(hào)：密級(jí):學(xué)士學(xué)位論文同軸一一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)Designofcoaxialtowaveguidetransducer作者姓名：指導(dǎo)教師：學(xué)科：研究方向：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)所在學(xué)院：信息科學(xué)與工程學(xué)院論文提交日期：二零一四年五月二十日學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明茲呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的研究成果。論文寫(xiě)作中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究?jī)?nèi)容，如參考他人或集體的科研成果，均在論文中以明確的方式說(shuō)明。本人依法享有和承擔(dān)由此論文所產(chǎn)生的權(quán)利和責(zé)任。論文作者簽名：簽名日期：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)聲明本人同意授權(quán)華僑大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家機(jī)關(guān)或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印

2、件和電子版，允許學(xué)位論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華僑大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部?jī)?nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：簽名日期：簽名日期：同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器是微波系統(tǒng)中非常重要的元器件?；诩共▽?dǎo)和波導(dǎo)階梯對(duì)導(dǎo)播系統(tǒng)中電磁波傳播性能的影響，本文探討了這兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在8-18GHZ的寬帶同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的情況。通過(guò)同軸一脊波導(dǎo)一矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，并在脊波導(dǎo)上加載階梯，很好地改善了阻抗匹配效果，提高了同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的傳輸性能。阻抗變換是為了消除帶內(nèi)不良反射，以獲得良好匹配的一種微波器件，廣泛用于微波電路和天線(xiàn)饋電系統(tǒng)

3、中。具結(jié)構(gòu)上大致分為階梯式和漸變式。前者能夠比后者獲得更好的帶內(nèi)波紋系數(shù)和更短的長(zhǎng)度。對(duì)階梯阻抗變換器的設(shè)計(jì)，主要分為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文的仿真結(jié)果證明脊波導(dǎo)和波導(dǎo)階梯在設(shè)計(jì)同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器中的有效性，在8-18GHZ的倍頻程帶寬內(nèi)駐波小于1.25,產(chǎn)生的高次模非常小。關(guān)鍵詞：同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換脊波導(dǎo)波導(dǎo)階梯阻抗變換AbstractCoaxial-waveguidetransitionplaysanimportantroleinmicrowavesystem.Basedontheinfluenceofridgewaveguideandwaveguideladderexertedontr

4、ansmissionperformanceofelectromagneticwaveinguidedwavesystem,thispaperdiscussedthesituationsofthesetwostructuresappliedinthe8-18GHzbroadbandcoaxial-waveguideconverterdesignation.Throughtheconversionofcoaxial-ridgewaveguide-rectangularwaveguide,andladderloadingofridgewaveguide,theeffectivenessofimped

5、ancematchingiswellimproved,andthetransmissionofcoaxial-waveguideconverterishighlyadvanced.Impedancetransformationistoeliminatein-bandbadreflection,inordertoobtainagoodmatchingmicrowavedevices,widelyusedinmicrowavecircuitandantennafeedsystem.Itsstructureislargelydividedintostepwiseandgradualtype.Thef

6、ormercanbebetterthanthelatterin-bandripplecoefficientandtheshorterlength.Thedesignofsteppedimpedanceconverter,mainlydividesintothetraditionaldesignmethodandoptimizationdesignmethod.Simulationresultsprovedtheeffectivenessofridgewaveguideandwaveguideladderindesigningcoaxial-waveguideconverters.TheVSWR

7、ofcoaxial-waveguidetransitiondesignedinthispaperislessthan1.25inthe8-18GHzoctavebandwidth,andthehighmodulusproducedisverysmall.Keywords:Coaxial-waveguidetransitionRidgewaveguideWaveguideladderimpedancetransformation摘要IAbstractII第1章緒論11.1 同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)背景11.2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)21.3 論文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新31.3.1 論文的研究目地和意義31.3.

8、2 論文的主要工作和創(chuàng)新3第2章同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器理論分析32.1 同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的介紹42.2 同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的原理42.2.1 波導(dǎo)的設(shè)計(jì)原理42.2.2 脊型波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)原理與優(yōu)勢(shì)102.2.3 階梯阻抗變換基本原理132.3 同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)介紹162.3.1 輸入駐波比162.3.2 頻率范圍162.3.3 插入損耗162.3.4 S參數(shù)172.3.5 電壓駐波比17第3章同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的仿真設(shè)計(jì)183.1 HFSS軟件的介紹183.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)193.3 各類(lèi)同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)193.3.1 普通同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器193.3.2 寬帶同軸脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器233.3.

9、3 優(yōu)化后的同軸脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器253.4 各類(lèi)同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的性能比較28第4章總結(jié)33參考文獻(xiàn)34致謝36附錄37第1章緒論1.1 同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)背景在現(xiàn)代衛(wèi)星通訊、干擾與抗干擾等高科技領(lǐng)域，高頻率、寬頻帶電子系統(tǒng)的發(fā)展日新月異。在這些電子系統(tǒng)的研制過(guò)程中，基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的大饋系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，它們一般都以波導(dǎo)作為輸入/輸出端口，而實(shí)際工程中的饋電電纜或常用測(cè)量?jī)x器如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、功率放大器等，則大多以50Q/75周軸線(xiàn)作為輸入/輸出端口，因此高性能的寬帶同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器成為保證電子系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵部件之一。為適應(yīng)高頻寬帶的迫切需求，需要著重考慮兩個(gè)方面來(lái)改進(jìn)同軸-波

10、導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)：首先利用金屬脊加載均勻波導(dǎo)，可降低端面特性阻抗并展寬工作頻帶；其次，需要改進(jìn)同軸線(xiàn)和波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的連接方法。例如，采用多階阻抗變換、同軸探針與金屬脊垂直相交的連接方法，研制用于10kW功率測(cè)試的同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，可得到700MHz至ij2500MHz的工作帶寬；采用脊和同軸探針平行放置并分別進(jìn)行阻抗變換、探針尾部折向與脊相連的方法，可得2600MHz至ij3700MHz的帶寬；采用寬壁對(duì)稱(chēng)加載雙脊的方法可得到覆蓋Ka波段的仿真工作頻帶；用直接接觸式連接可得到3:1的帶寬，但插入損耗較大；若采用波導(dǎo)窄壁加載雙脊、圓盤(pán)形探針尾部、非接觸式的連接方法，雖可獲得較寬的工作頻帶，但其結(jié)構(gòu)過(guò)

11、于復(fù)雜，加工精度要求較高。若要兼顧轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性和寬頻帶的工作特性，則需進(jìn)一步研究始對(duì)UWB技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。2002年2月，F(xiàn)CC批準(zhǔn)了UWB技術(shù)用于民用，UWB技術(shù)發(fā)展慢的原因主要有：在199的以前主要限于軍方使用，限制了第三方開(kāi)發(fā)支持UWB的軟件和硬件；由于UWB使用許多專(zhuān)用頻段，F(xiàn)CC又tUWB技術(shù)的批準(zhǔn)進(jìn)展緩慢；UWB帶來(lái)的干擾問(wèn)題也阻礙了UWB的發(fā)展步伐，而且，由于UWB技術(shù)可能取代現(xiàn)在使用的所有無(wú)線(xiàn)技術(shù)，包括PAN,WLAN和無(wú)線(xiàn)WAN,因此，許多公司會(huì)抵制該技術(shù)的商用。雖然如此，在此期間，UWB天線(xiàn)還是取得了很大的發(fā)展。1941年，StrattonDChu提出了類(lèi)球體天線(xiàn)。是通

12、過(guò)直接求解Maxwell方程得到該天線(xiàn)的輻射性能，但是類(lèi)球體天線(xiàn)的分析方法不能應(yīng)用到任意形狀的天線(xiàn)。1943年，Schelkunoff提出了雙錐天線(xiàn)。它可以簡(jiǎn)單的利用Maxwell方程求解。該分析方法可以應(yīng)用到許多其他形狀的天線(xiàn)中，同時(shí)給出這些天線(xiàn)的阻抗特性的解析公式。如今，雙錐天線(xiàn)和它的變形天線(xiàn)如圓錐形天線(xiàn)、蝶形天線(xiàn)等仍然被廣泛應(yīng)用到UWB系統(tǒng)中。1947年，在哈佛大學(xué)的美國(guó)輻射科學(xué)實(shí)驗(yàn)室正式規(guī)定了UWB天線(xiàn)的定義及概念。這期間也提出了許多UWB天線(xiàn)，例如水滴形天線(xiàn)、套筒天線(xiàn)、梯形天線(xiàn)等。50年代，提出了典型的非頻變天線(xiàn)一一螺旋天線(xiàn)。其中等角螺旋天線(xiàn)和阿基米德螺旋天線(xiàn)是最著名的兩種螺旋天線(xiàn)。

13、1979年，Gibson提出了一種按指數(shù)規(guī)律漸變的槽線(xiàn)天線(xiàn)，它是一些具有非周期結(jié)構(gòu)連續(xù)逐漸變化的天線(xiàn)。理論上，它有較大的帶寬，這種天線(xiàn)是一種高增益、線(xiàn)極化，是具有隨頻率變化恒定增益的天線(xiàn)。1982年,R.?H.?Duhame發(fā)明了正弦天線(xiàn)，它結(jié)構(gòu)緊湊、低輪廓而且頻帶寬。它比螺旋天線(xiàn)要復(fù)雜，但它卻可以提供相互正交的雙線(xiàn)性極化。所以，它可以作為極化分集天線(xiàn)或同時(shí)進(jìn)行發(fā)送/接收操作天線(xiàn)。自1992以來(lái)，發(fā)明了許多種單極子盤(pán)片天線(xiàn)。盤(pán)片的形狀有圓形、橢圓形和梯形等，他們用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)提供了非常寬的帶寬。輻射單元被固定在一個(gè)矩形的接地板上，并且用同軸線(xiàn)饋電源。單極子盤(pán)片天線(xiàn)是UWB天線(xiàn)中比較滿(mǎn)意的天線(xiàn)。1

14、999年，發(fā)明了四面天線(xiàn)。盡管它可能沒(méi)有其他天線(xiàn)那么寬的帶寬，但卻有單向輻射、雙線(xiàn)性極化和低輪廓等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)大學(xué)在超寬帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)和理論研究領(lǐng)域中也作出了許多的貢獻(xiàn)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)在國(guó)內(nèi)，微波領(lǐng)域的波導(dǎo)一同軸轉(zhuǎn)換器有所發(fā)展，電氣性能雖然沒(méi)有國(guó)外的優(yōu)良，但可廣泛地應(yīng)用在各種雷達(dá)、精密制導(dǎo)、電子對(duì)抗等系統(tǒng)以及各個(gè)微波頻段的掃頻測(cè)量裝置中。隨著國(guó)外毫米波技術(shù)的迅速發(fā)展和軍事上的需要，近幾年正在開(kāi)展同軸系統(tǒng)和元件的研制，從而亦開(kāi)始研制開(kāi)發(fā)如此配套和試驗(yàn)的各種轉(zhuǎn)接元件，如8mm波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換器。在國(guó)外，各種無(wú)源的波導(dǎo)、同軸、波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)接等器件在微波、毫米波領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用。毫米波技術(shù)

15、尤其毫米波同軸技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)各種元件，特別是波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)接器件的發(fā)展，從而對(duì)這些器件的性能要求更高。專(zhuān)家們?cè)谘兄圃摦a(chǎn)品的過(guò)程中，采用了模擬新技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。以前在微波領(lǐng)域、元件的設(shè)計(jì)和計(jì)算基本采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，因此運(yùn)用麥克斯韋方程組只能得到部分結(jié)果。大量的計(jì)算完全采用靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的近似法來(lái)完成。但隨著頻率的增大和元件的小型化，使設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜，再根據(jù)原來(lái)的經(jīng)驗(yàn)試湊法要想得到良好性能的元器件是相當(dāng)困難的。鑒于此,Ansoft公司和HP公司的專(zhuān)家們共同研究、設(shè)計(jì)和制造了HP高頻系統(tǒng)模擬電子計(jì)算機(jī)，借助該計(jì)算機(jī)，微波工程即可以研究和了解被制造物體內(nèi)部的電壓、電流以及場(chǎng)結(jié)構(gòu)，

16、從而獲得較好性能的幾何形狀和尺寸。波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換器在微波段尺寸較大比較容易試制，因此HP公司首先在微波頻段應(yīng)用高頻模擬計(jì)算機(jī)對(duì)3D（即X波段）波導(dǎo)一同軸轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬和制造。在模擬過(guò)程中，由于該元件的對(duì)稱(chēng)性，只需把整個(gè)元件的半個(gè)兒何圖形送入模擬計(jì)算機(jī)迸行模擬、計(jì)算，就能得到合理的尺寸。整個(gè)模擬和計(jì)算過(guò)程所花的時(shí)間不到1h,大大縮短了設(shè)計(jì)周期。1.3 論文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新1.3.1 論文的研究目地和意義本文詳細(xì)闡述了多過(guò)渡段結(jié)構(gòu)寬帶同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的研制，在818GHz上插入損耗小于1dB,回波損耗小于-15dB,個(gè)別頻率點(diǎn)以及邊界頻率附近損耗稍大，但可滿(mǎn)足一般寬帶測(cè)試的要求。該同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器結(jié)

17、構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械加工要求不高，可用于高頻寬帶器件及天線(xiàn)的測(cè)試及饋電。1.3.2 論文的主要工作和創(chuàng)新文正是介紹了這種寬帶同軸-矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)接頭的原理和設(shè)計(jì)方法，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)這種轉(zhuǎn)接頭，既不浪費(fèi)材料，又大大縮短了設(shè)計(jì)周期。根據(jù)這種方法設(shè)計(jì)的L波段同軸一矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)接頭，不需要多級(jí)轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)緊湊、外形尺寸小、加工方便、裝卸容易。第2章同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器理論分析2.1 同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的介紹同軸一矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器是同軸線(xiàn)（TEM模）到矩形波導(dǎo)（TE模）的轉(zhuǎn)換器。它的常用方法是接換接頭。同軸線(xiàn)的外導(dǎo)體與矩形波導(dǎo)的寬壁連在一起，內(nèi)導(dǎo)體的延伸部分（探針）插入波導(dǎo)中，形成一個(gè)小輻射天線(xiàn)，在波導(dǎo)中激勵(lì)出

18、TE模式的電磁波。為了改善匹配性能，可適當(dāng)調(diào)節(jié)探針的插入深度，和探針的放置位置?；蛘呖梢詫⑻结樣媒橘|(zhì)套筒套起來(lái)，對(duì)于這種情況，目前尚無(wú)完整的定量分析，但可定性地說(shuō)，介質(zhì)套降低了波導(dǎo)的等效阻抗，減少了阻抗對(duì)頻率變化的敏感性，從而展寬了頻帶。采用這種裝置，在一定的工作頻帶內(nèi)，駐波比可小于1.25。但是，加了介質(zhì)套筒后，會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的功率容量，因此這種裝置多用于功率較低的情況。除了上述的型式外，同軸一矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器還有多種多樣的結(jié)構(gòu)型式，采用不同結(jié)構(gòu)型式的目的無(wú)非是兩個(gè)：展寬頻帶和提高功率容量。2.2 同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的原理2.2.1 波導(dǎo)的設(shè)計(jì)原理亥維塞在1893年最早提出過(guò)電磁波在封15的空管中

19、傳播，到了1897年瑞利爵士從數(shù)學(xué)上證明了波在波導(dǎo)中傳播是可能的，無(wú)論橫截面是圓還是矩形的。瑞利猜測(cè)可能同時(shí)有無(wú)窮多個(gè)TE和TM模式,而且存在截止頻率，但在當(dāng)時(shí)沒(méi)有能夠?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證。此后波導(dǎo)的研究被擱置，直到1932年AT&T公司的在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)表了一篇有關(guān)波導(dǎo)的論文。矩形波導(dǎo)是最早用于傳輸微波信號(hào)的傳輸線(xiàn)類(lèi)型之一。其應(yīng)用頻率范圍從1GHz到超過(guò)220GHz，主要應(yīng)用類(lèi)型為禍合器、檢波器、隔離器、衰減器，作為濾波器應(yīng)用的比較少見(jiàn)。矩形波導(dǎo)可以傳播TM模和TE模，但不能傳播TEM波，因?yàn)樗挥幸粋€(gè)導(dǎo)體。下面主要介紹TE模的情況。此結(jié)構(gòu)假定在z方向是均勻且無(wú)限長(zhǎng)的。圖2.2.1波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)

20、矩形波導(dǎo)電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以表示為：假設(shè)傳輸線(xiàn)或者波導(dǎo)區(qū)域是無(wú)源的，那么麥克斯韋方程可寫(xiě)成：jz由于含有e一聲隨z的變化關(guān)系，所以以上每個(gè)矢量方程式的三個(gè)分量可以化簡(jiǎn)為：利用Ez和Hz通過(guò)上面的六個(gè)方程可以求得四個(gè)橫向場(chǎng)分量，如下所示：-,2222.其中，對(duì)kCk2指的是截止波數(shù)。k土是填充在波導(dǎo)中的材料的波數(shù)。下面將這些結(jié)果應(yīng)用到TE模當(dāng)中來(lái)進(jìn)行分析。橫電波（TE）,也稱(chēng)為H波。它的特征是ez。和HzOo于是式（2.4）簡(jiǎn)化成：在這種情況下，kco,且傳播常我2k：一般而言是頻率和傳輸線(xiàn)或波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)的函數(shù)。為了應(yīng)用式（2.5）,必須從亥姆霍茲方程推導(dǎo)出Hz:所以上式轉(zhuǎn)化為hz的二維波方程：TE波

21、的波阻抗和頻率有關(guān)，表達(dá)式為：和磁導(dǎo)率為的材料。取波導(dǎo)的寬邊沿x軸，所以有a>b。TE模場(chǎng)的特征是ez0,而hz必須滿(mǎn)足簡(jiǎn)化了的波方程（2.7）偏微分方程（2.9）可以由分離變量法來(lái)求解，令并把它代入到式（2.9）當(dāng)中去，得到：根據(jù)通常的分離變量理論，式（2.11）中的每一項(xiàng)必等于一個(gè)常數(shù)，于是定義分離常數(shù)匕和k-得到：hz的通解可以寫(xiě)為為了計(jì)算式（3.13）中的常數(shù)，必須把邊界條件應(yīng)用于波導(dǎo)壁上的電場(chǎng)切向分量。用hz求出上和上：xyhzxhzy2kc2kcky(AcoskxxBsinkxx)(CsinkyyDcoskyy)kx(AsinkxxBcoskxx)(CcoskyyDsinky

22、y)(2.14a)(2.14b)從式(2.14a)ffi(2.14b)可以得出Hz的表達(dá)式其中Amn是由式(2.13)中余下的常數(shù)A和C組成的任意振幅常數(shù)。TEmn模的橫向場(chǎng)分量可以求得為傳播常數(shù)是可以看出對(duì)應(yīng)于傳播模時(shí)，是實(shí)數(shù)。于是每個(gè)模(m和n的組合)具有下式給出的截止頻率：出現(xiàn)在截止頻率最低的模式通常稱(chēng)為基模；因?yàn)橐呀?jīng)a>b,所以最低的TE10模:因此，TE10模是TE模的基模，它也是矩形波導(dǎo)的基模。在給定的工作頻率f下，只有九<們勺模能夠傳播；而f/f的模將有一個(gè)虛數(shù)或者實(shí)數(shù)，這意味著所有的場(chǎng)分量都將隨距離激勵(lì)源的距離的增加而指數(shù)衰減。這樣的模稱(chēng)為截止?；蛳拍?。從式(2.

23、8)可知，聯(lián)系橫向電場(chǎng)和磁場(chǎng)的波阻抗是其中是波導(dǎo)填充材料的本征阻抗。于是，當(dāng)為實(shí)數(shù)時(shí)波阻抗是實(shí)數(shù)，當(dāng)為虛數(shù)時(shí)，波阻抗是虛數(shù)導(dǎo)波波長(zhǎng)等于因此它大于填充介質(zhì)中的平面波波長(zhǎng)0相速是它大于填充介質(zhì)中的光速12.2.2 脊型波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)原理與優(yōu)勢(shì)矩形波導(dǎo)中插入了探針，并在寬壁上開(kāi)孔，這在波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換處引入了電抗，造成波的反射，使得波導(dǎo)與同軸線(xiàn)的阻抗失配加劇。本文采用同軸一脊波導(dǎo)矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換。假定脊形波導(dǎo)中傳輸?shù)氖荰E波，利用等效橫向傳輸線(xiàn)法，把截止時(shí)電磁波在二窄邊之間來(lái)回反射，看作是電磁波在橫向傳輸線(xiàn)產(chǎn)生振蕩。若脊形波導(dǎo)的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于工作波長(zhǎng)，則橫向來(lái)回振蕩的電磁波就可認(rèn)為是TEM波。從振蕩條件導(dǎo)出的

24、諧振波長(zhǎng)，就是脊形波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)。圖2.2.1雙脊波導(dǎo)及其等效電路以此理論來(lái)分析雙脊波導(dǎo)，可以把它看作橫向諧振線(xiàn)。由于諧振時(shí)傳輸線(xiàn)任何參考面總的電納應(yīng)Ig為零，以不連續(xù)處T作為參考面，研究其諧振條件。此處的總電納由三部分構(gòu)成：第一，等效導(dǎo)納為Y0,長(zhǎng)度為（a-a'）/2的終端短路傳輸線(xiàn)的輸入電納；第二，T參考面左面的復(fù)合傳輸線(xiàn)輸入電納；第三，參考面T處由于不連續(xù)性產(chǎn)生的電納。在計(jì)算第二部分的電納時(shí)，作如下簡(jiǎn)化：從TE波的電場(chǎng)分布來(lái)看，對(duì)奇模（仔奇數(shù)），波導(dǎo)寬邊的中點(diǎn)是電波腹，即等效電壓的波腹，從中點(diǎn)向左看，相當(dāng)于開(kāi)路，因此，參考面T左面的復(fù)合傳輸線(xiàn)輸入納就是等效導(dǎo)納為Y'0長(zhǎng)度

25、為a'/2的終端開(kāi)路傳輸線(xiàn)的輸入導(dǎo)納；對(duì)偶模（B偶數(shù)），波導(dǎo)寬邊中點(diǎn)是電場(chǎng)和等效電壓的波節(jié)，因此參考面T左面復(fù)合傳輸線(xiàn)的輸入電納是等效阻抗為Y'0長(zhǎng)度為a'/2的終端短路傳輸線(xiàn)的輸入導(dǎo)納。圖2.2.2給出了TE10、TE20和TE30波在波導(dǎo)截面上的電場(chǎng)分布以及相應(yīng)的等效電路，其橫向諧振條件如下：其中，Y'0/Y0=b/b'的截止波長(zhǎng)。表中入c/a值作為a'/a值的函數(shù)列出，而b'/b作為參數(shù)。圖2.2.2TE10、TE20、TE30場(chǎng)分布及等效電路表2.2.1TE10在b/a=0.5的雙脊波導(dǎo)中的截止波長(zhǎng)從表2.2.1可以看出，對(duì)主模T

26、E10波，入c/a值均大于2。而同樣尺寸矩形波導(dǎo)TE10波的入c/a=2,因此脊形波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)一般比同樣的矩形波導(dǎo)的大，即脊波導(dǎo)的單模工作帶寬要大于同樣的矩形波導(dǎo)。而矩形波導(dǎo)的等效阻抗為其中入c=2a。脊形波導(dǎo)的等效阻抗可寫(xiě)成類(lèi)似的形式：al是脊形波導(dǎo)的等效寬邊，入c>2a是脊形波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)。這說(shuō)明脊形波導(dǎo)(對(duì)TE10波而言)的等效阻抗降低。同時(shí)由于脊形波導(dǎo)的等效窄邊也比對(duì)應(yīng)的矩形波導(dǎo)的窄邊小，這也使等效阻抗變小。由以上分析可知脊波導(dǎo)與相同尺寸的矩形波導(dǎo)相比主要有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，主模TE10波的截止波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因此如果工作波長(zhǎng)相同，波導(dǎo)尺寸可以縮??；第二，TE10波和其他高次模截止波長(zhǎng)

27、相隔較遠(yuǎn)，因此單模工作頻帶較寬；第三，等效阻抗較低，因此易與低阻抗的同軸線(xiàn)及微帶線(xiàn)匹配。脊波導(dǎo)到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換，可以選擇階梯過(guò)渡、直線(xiàn)式過(guò)渡和指數(shù)式過(guò)渡，其目的是減少回波反射，使駐波減小。相比矩形波導(dǎo)，脊型波導(dǎo)的頻帶更寬。參考相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，在一般情況下矩形波導(dǎo)的工作頻帶不到一個(gè)倍頻程，然而脊型波導(dǎo)的有效工作頻帶可以達(dá)到幾個(gè)倍頻程。這是由于脊波導(dǎo)的主模TE10o的截止波長(zhǎng)比矩形波導(dǎo)的TE10模的截止波長(zhǎng)要長(zhǎng)，而脊波導(dǎo)TE20及其他的高次模的截止波長(zhǎng)卻比矩形波導(dǎo)TE20及其他的高次模的截止波長(zhǎng)短，故而脊型波導(dǎo)在主模TE10模式下工作的頻帶較寬。然而可進(jìn)行超寬帶濾波的脊型波導(dǎo)器件較可進(jìn)行超寬帶濾

28、波的矩形波導(dǎo)器件的功率容量小，更為重要的是，衰減較大，如何盡量的減小衰減取得更好的駐波就成為了脊波導(dǎo)濾波器件設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中的重要一環(huán)。阻抗?jié)u變線(xiàn)的加入對(duì)于脊波導(dǎo)濾波器件的阻抗匹配至關(guān)重要。2.2.3 階梯阻抗變換基本原理在寬帶同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中，阻抗變換技術(shù)的選擇非常重要。阻抗變換是射頻與微波器件設(shè)計(jì)的基本組成部分。阻抗變換可以在以下幾個(gè)方面獲得好處：(a)從源到器件、從器件到負(fù)載或器件之間功率傳輸最大。(b)提高接收機(jī)靈敏度。(c)減小功率分配網(wǎng)絡(luò)幅相不平衡度。(d)獲得放大器理想的增益、輸出功率、效率和動(dòng)態(tài)范圍。(e)減小饋線(xiàn)中的功率損耗。用來(lái)匹配兩個(gè)給定阻抗的匹配網(wǎng)絡(luò)有很多種，選擇匹配

29、網(wǎng)絡(luò)時(shí)需考慮的最重要的因素有：(a)復(fù)雜性，(b)帶寬，(c)頻響，(d)實(shí)現(xiàn)的難易程度。阻抗變換按應(yīng)用可分為窄帶阻抗變換和寬帶阻抗變換。窄帶阻抗變換技術(shù)在點(diǎn)頻上提供了完美的阻抗匹配，基于偏離設(shè)計(jì)頻率容許的反射系數(shù)，定義匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬。寬帶阻抗變換技術(shù)多采用少量級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)阻抗?jié)u變變換。此類(lèi)阻抗變換器一般分為多階梯阻抗變換器均勻阻抗變換器）和漸變線(xiàn)阻抗變換器（非均勻阻抗變換器）。因?yàn)檫m當(dāng)?shù)姆侄坞A梯阻抗變換器比之同長(zhǎng)度的線(xiàn)性的漸變過(guò)渡或其它形狀的漸變過(guò)渡器具有較好的匹配性能。所以，本文采用了切比雪夫式階梯變換形式。圖2.2.3階梯型阻抗變換器圖2.2.4均勻阻抗變換器的頻率特性曲線(xiàn)取波導(dǎo)波長(zhǎng)的倒

30、數(shù)1/入g作為自變數(shù)，工作頻率從fl到f2,fl和f2則分別是Xg=入g1和入g2時(shí)的頻率?，F(xiàn)定義四分之一波長(zhǎng)變換器的相對(duì)帶寬為：其中入g1及入g2分別時(shí)最長(zhǎng)和最短的工作波長(zhǎng)，此變換器每節(jié)的長(zhǎng)度L則取中心頻率時(shí)的波導(dǎo)波長(zhǎng)的四分之一。即工作頻率的中心頻率被定義為波導(dǎo)波長(zhǎng)為入g0時(shí)的工作頻率。對(duì)于無(wú)色散線(xiàn)，則Xg=X,即波導(dǎo)波長(zhǎng)與工作波長(zhǎng)相同。由申接的矩陣合成法可得阻抗變換器整體的傳輸方程為：現(xiàn)引入介入功率損耗比P0/PL,則聯(lián)立后得出：其中：n是等長(zhǎng)的傳輸線(xiàn)的節(jié)的數(shù)目Tn（x）是n階的切比雪夫第一種多項(xiàng)式插入損耗：_2(R1)4R,時(shí)是通過(guò)帶中的最大損耗值，且此時(shí)2Tn0sinWq4根據(jù)預(yù)給的阻

31、抗比變換的節(jié)數(shù)。R及所要達(dá)到反射系數(shù)的指標(biāo)可計(jì)算所需的切比雪夫切比雪夫變換中每一階特性阻抗的計(jì)算，可通過(guò)對(duì)每一階反射系數(shù)的求解來(lái)獲得，當(dāng)每個(gè)阻抗跳躍處的兩邊阻抗相差不大時(shí)，則由于波導(dǎo)在階梯變換處將產(chǎn)生反射，因此不能應(yīng)用波阻抗來(lái)處理階梯波導(dǎo)的匹配問(wèn)題，在此我們采用功率一電流形式定義的波導(dǎo)的等效阻抗，如下：由（2.24）的公式求出階梯波導(dǎo)每一節(jié)的特性阻抗，然后由（2.25）式可得到階梯波導(dǎo)每一節(jié)的窄邊尺寸。2.3 同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)介紹2.3.1 輸入駐波比駐波：終端不匹配的傳輸線(xiàn)上各點(diǎn)的電壓和電流由入射波和反射波疊加而形成駐波。傳輸線(xiàn)上波腹處電壓振幅和波節(jié)點(diǎn)電壓振幅之比為電壓駐波比，用P

32、表示，輸入駐波比越小越好。2.3.2 頻率范圍這是各種射頻/微波電路的工作前提，功分器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與工作頻率密切相關(guān)，必須首先明確分配器的工作頻率，才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.3.3 插入損耗輸入輸出間的插入損耗是由于傳輸線(xiàn)（如微帶線(xiàn)）的介質(zhì)或?qū)w不理想等因素所帶來(lái)的損耗，其計(jì)算公式為所有的路數(shù)的輸出功率之和與輸入功率的比值，而分配損耗為其中一路輸出功率與輸入功率的比。理想等分功分器的分配損耗為：？2.3.4 S參數(shù)S參數(shù)是與電壓駐波比（VSWR）直接相關(guān)的反射系數(shù)。傳輸系數(shù)通常用來(lái)表示增益或衰減。S參數(shù)從功率的角度表達(dá)電路的輸入和輸出，因此可以用來(lái)度量沿50歐姆傳輸線(xiàn)電路元件的傳輸功率和反射功率。S參數(shù)

33、通過(guò)將電路端接系統(tǒng)的實(shí)際線(xiàn)阻來(lái)測(cè)量，它是一個(gè)具有幅度和相位信息的矢量。S11、S22為反射功率和入射功率之比，兩者同反射系數(shù)一樣，在Smith圓圖中得到廣泛應(yīng)用，因此，任意兩端口器件的輸入、輸出參數(shù)及其對(duì)的特征阻抗可以從極坐標(biāo)圖中提取。常見(jiàn)的S參數(shù)以dB表達(dá)，見(jiàn)下表：表2.3.1S參數(shù)綏數(shù)描述輸入反射系數(shù)，回波損耗正向傳輸系數(shù)、插入損耗輸出反射系數(shù)反向傳輸系數(shù)2.3.5 電壓駐波比駐波比(SWR)又稱(chēng)電壓駐波比(VSWR)波傳遞從甲介質(zhì)傳導(dǎo)到乙介質(zhì)，會(huì)由于介質(zhì)不同，波的能量會(huì)有一部分被反射。這種被反射的波與入射波疊加的后形成的波稱(chēng)為駐波，這是基本的物理原理。在電磁波有同樣的特性，電波在甲組件傳

34、導(dǎo)到乙組件，由于阻抗特性的不同，一部分電磁波的能量被反射回來(lái)，我們常稱(chēng)此現(xiàn)象為阻抗不匹配。駐波比，一股指的就是電壓駐波比，是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。理想的比例為1:1,即輸入阻抗等于傳輸線(xiàn)的特性阻抗，但幾乎不可能達(dá)到。VSWR1.25:1反射功率1.14%VSWR1.5:1反射功率4.06%VSWR1.75:1反射功率7.53%由上可知，駐波比越大，反射功率越高，也就是阻抗不匹配。第3章同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的仿真設(shè)計(jì)3.1 HFSS軟件的介紹HFSS(HighFrequencySimulatorStructure)1美國(guó)Ansoft公司開(kāi)發(fā)的全波三維電磁仿真軟件，該軟件采用有限元法，計(jì)算結(jié)

35、果準(zhǔn)確可靠，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows圖形用戶(hù)界面，簡(jiǎn)潔直觀(guān)；自動(dòng)化的設(shè)計(jì)流程，易學(xué)易用；穩(wěn)重成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，結(jié)果準(zhǔn)確。使用HFSS,用戶(hù)只需要?jiǎng)?chuàng)建或?qū)朐O(shè)計(jì)模型，指定模型材料屬性，正確分配模型的邊界條件和激勵(lì)，準(zhǔn)確定義求解設(shè)置，軟件便可以計(jì)算輸出用戶(hù)需要的設(shè)計(jì)結(jié)果。HFSS具有準(zhǔn)確的場(chǎng)仿真器，強(qiáng)大的電性能分析能力和后處理功能可以用于分析、計(jì)算并顯示下列參數(shù)：S、Y、Z等參數(shù)矩陣；電壓駐波比)VSWR;端口阻抗和傳播常數(shù)；電磁場(chǎng)分布和電流分布；諧振頻率、品質(zhì)系數(shù)Q;天線(xiàn)輻射方向圖和各種天線(xiàn)參數(shù)，如增益、方向性、波束寬度等；比收收率(S

36、AR);雷達(dá)反射截面(RCS)。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，現(xiàn)今HFSS以其無(wú)與倫比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，已經(jīng)成為三維電磁仿真設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師高效，地設(shè)計(jì)各種微波/高頻無(wú)源器件。借助于HFSS,能夠有效地降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。HFSS的具體應(yīng)用包括以下8個(gè)方面：1 .射頻和微波無(wú)源器件的設(shè)計(jì)2 .天線(xiàn)、天線(xiàn)陣列的設(shè)計(jì)3 .高速數(shù)字信號(hào)完整性分析4 .EMC/EMI問(wèn)題分析5 .電真空器件設(shè)計(jì)6 .目標(biāo)特性研究和RCS仿真7 .計(jì)算S

37、AR3.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)在818GHz頻段下利用HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)和仿真，仿真結(jié)果插入損耗小于-15dB,最大駐波比小于1.25。這具有頻帶寬、插損低、駐波小等優(yōu)點(diǎn)。3.3 各類(lèi)同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)3.3.1 普通同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器此設(shè)計(jì)方案采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)WR-75（EIA-國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）。矩形波導(dǎo)寬a=19.05mm,矩形波導(dǎo)高b=9.525mm。其主模頻率范圍為9.84GHz15GHz,截止頻率為7.869GHz。具體設(shè)計(jì)模型如下：圖3.1同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器模型圖3.2同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器模型參數(shù)仿真結(jié)果如下所示：圖3.3同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的插入損耗和回波損耗圖3.4同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的電壓駐波比通過(guò)仿

38、真我們發(fā)現(xiàn)同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的電壓駐波比較大，且在10GHz前回波損耗極大，9.84GHz15GHz的插入損耗亦沒(méi)有小于-20dB。這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)WR-75（EIA-國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）其主模頻率范圍為9.84GHz15GHz,截止頻率為7.869GHz,故在8GHz處很難達(dá)到論文所提出的指標(biāo)，設(shè)計(jì)有待完善。結(jié)合理論分析，我們打算應(yīng)用階梯阻抗變化的理論。具體模型如下：圖3.5同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器模型圖3.6同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器模型參數(shù)仿真結(jié)果如下所示：圖3.7同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的插入損耗和回波損耗圖3.8同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的電壓駐波比通過(guò)仿真我們發(fā)現(xiàn)同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的電壓駐波比小于1.20,且在1.1.1 Hz1

39、5GHz的插入損耗小于-20dB。階梯阻抗改善了波導(dǎo)的插入損耗，但是其帶寬仍然沒(méi)有打到論文的要求。因此在階梯阻抗變換的基礎(chǔ)上還必須做相應(yīng)的改善，使帶寬達(dá)到論文的要求。1.1.2 寬帶同軸脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器此設(shè)計(jì)方案采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)WR-62（EIA-國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）。矩形波導(dǎo)寬a=15.799mm,矩形波導(dǎo)高b=7.899mm。其主模頻率范圍為11.9GHz18GHz,截止頻率為9.488GHz。為了展寬帶寬，我們采用脊波導(dǎo)。具體設(shè)計(jì)模型如下：圖3.9寬帶同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器模型仿真結(jié)果如下所示：圖3.10寬帶同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的插入損耗和回波損耗圖3.11寬帶同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的電壓駐波比通過(guò)仿真我們發(fā)現(xiàn)

40、寬帶同軸-脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器在8GHz處無(wú)法達(dá)到論文所提出的指標(biāo)，這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)WR-62（EIA-國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）主模頻率范圍為11.9GHz18GHz,截止頻率為9.488GHz。因此在8.5GHz之前，回波損耗較大，電磁波被大量反射，無(wú)法滿(mǎn)足論文指標(biāo)。但是我們不難發(fā)現(xiàn)，相較上一個(gè)模型，采用脊波導(dǎo)可以起到展寬帶寬的目的，這個(gè)方案可以說(shuō)比較接近論文的指標(biāo)。1.1.3 優(yōu)化后的同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器綜合以上兩個(gè)設(shè)計(jì)方案，為達(dá)到論文提出的指標(biāo)，我們提出了一個(gè)新的方案，運(yùn)用階梯阻抗變換和脊波導(dǎo)，以達(dá)到展寬帶寬的目的。故其模型如下圖所示：圖3.12同軸脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器模型具體參數(shù)如下所示：圖3.13同軸脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換

41、器模型參數(shù)仿真結(jié)果如下所示：圖3.14同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的插入損耗和回波損耗圖3.15同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的電壓駐波比通過(guò)仿真我們發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的寬帶同軸-脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器帶寬更寬，在8GHz18GHz的范圍內(nèi)，其回波損耗基本都小于-15dB,且其電壓駐波比都小于1.30。這個(gè)方案基本滿(mǎn)足論文提出的要求，以增大回波損耗來(lái)?yè)Q取帶寬的加大。3.4各類(lèi)同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的性能比較為了較為清晰地比較各個(gè)仿真結(jié)果，我將各個(gè)仿真的結(jié)果列于下表。模型回波損耗電壓駐波比市竟特點(diǎn)描述RJ軸一波導(dǎo)在-17dB打小于210GHz15GHz內(nèi)小于-15dB帶寬較窄加工方便，帶寬窄，回波損耗大RJ軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器（帶階梯阻抗變換）大

42、部分頻段小于-20dB小于1.210GHz18GHz內(nèi)小于-20dB市見(jiàn)般加工方便，電壓駐波比小，回波損耗小同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器大部分頻段小于-25dB小于1.159.5GHz18GHz內(nèi)小于-20dB市竟較范:加工方便,電壓駐波比小，回波損耗小，使用脊波導(dǎo)優(yōu)化后的同軸-脊波導(dǎo)大部分頻段小于-15dB小于1.258GHz18GH囪小于-15dB加上后難度,回波損耗小，使用脊波導(dǎo)，市竟大表3.4.1同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器仿真結(jié)果比較通過(guò)上面的表格，我們發(fā)現(xiàn)不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)各不相同?？紤]到優(yōu)化后的優(yōu)化后的同軸-脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器模型比較復(fù)雜，無(wú)法加工，階梯數(shù)目多，不能定量分析。因此我們

43、完全可以用一個(gè)斜面代替原來(lái)的階梯。其仿真模型如下：圖3.16同軸脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器模型其具體的參數(shù)如下標(biāo)注：圖3.17同軸脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器具體參數(shù)圖3.18同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器正視圖圖3.19同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器側(cè)視圖圖3.20同軸脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器俯視圖注：圖中同軸線(xiàn)尺寸外半徑為R=2.05mm,內(nèi)同柱半徑r=0.65mm。三角斜坡的寬度和同軸線(xiàn)的外直徑相同，為4.1mm。同軸線(xiàn)內(nèi)填充的是介電常數(shù)為1.951的介質(zhì)。按照上面的尺寸，建立模型。得到如下的仿真結(jié)果：圖3.21同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的插入損耗和回波損耗圖3.22同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的電壓駐波比我再把內(nèi)部結(jié)構(gòu)為階梯型的同軸-脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器仿真結(jié)果放上來(lái)圖3.2

44、3同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器（未改為斜坡）的插入損耗和回波損耗圖3.24同軸一脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器（未改為斜坡）的電壓駐波比我們發(fā)現(xiàn)相比于上一個(gè)模型，斜坡同軸-脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的結(jié)果要稍微好于階梯型同軸-脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器。分析結(jié)果，我們不難看出這個(gè)模型基本符合論文中提出的要求。美中不足的是，插入損耗還是有點(diǎn)大，在-15dB上下。因此在10GHz處的電壓駐波比也下不來(lái)。這是因?yàn)閃R-75這個(gè)型號(hào)的波導(dǎo)截止頻率在7.8GHz。所以無(wú)論用什么結(jié)構(gòu)，很難在8GHz處將其回波損耗調(diào)到-20dB以下。下面考慮高次模的傳輸問(wèn)題，由于波導(dǎo)的傳輸特性是在低頻截止，只有在8GHz18GHz處激勵(lì)起來(lái)的模式在-20dB以下，才能保證這種對(duì)

45、稱(chēng)結(jié)構(gòu)激勵(lì)起的高次模非常小，對(duì)傳輸性能基本沒(méi)有影響，才可以保證單模傳輸。這個(gè)問(wèn)題比較復(fù)雜，也超出了論文的范圍，故沒(méi)有做深入的研究。由于時(shí)間和精力有限，并且在工程設(shè)計(jì)和調(diào)試上面經(jīng)驗(yàn)有欠缺，所以這個(gè)模型還并不是很完善，有待進(jìn)一步改善。第四章總結(jié)通過(guò)這次同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，我最大的收獲是提升了動(dòng)手實(shí)踐能力，并且學(xué)習(xí)了很多微波方面的知識(shí)。通過(guò)上面的仿真分析可以看出，通過(guò)理論分析和建模仿真，得到同軸一脊波導(dǎo)一矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，并在脊波導(dǎo)上加載階梯變換，可以在818GHz的倍頻程范圍內(nèi)駐波小于1.3,同時(shí)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性保證激勵(lì)起的高次模非常小，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的插入損耗也可以做得很低，在工程上易于實(shí)現(xiàn)。這為超寬帶結(jié)

46、構(gòu)的同軸波導(dǎo)饋電提供了非常有價(jià)值的參考。另外，我學(xué)習(xí)了一種新的仿真軟件HFSS(HighFrequencySimulatorStructure),它是一款功能強(qiáng)大的仿真軟件，該軟件采用有限元法，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。我仿真設(shè)計(jì)了多種不同功率分配要求的設(shè)計(jì)結(jié)果，使自己對(duì)于理論和實(shí)踐相結(jié)合的運(yùn)用達(dá)到了較高的要求。這次同軸一波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，在一定程度上提高了我獨(dú)立思考、解決問(wèn)題的能力。從一開(kāi)始的查閱資料、原理學(xué)習(xí)、外文翻譯，到后來(lái)的功分器設(shè)計(jì)，以及HFSS軟件的仿真和畢業(yè)論文的寫(xiě)作，短短幾個(gè)月的時(shí)間使我收獲很大。我知道自己要學(xué)習(xí)的東西還有很多，現(xiàn)在的學(xué)習(xí)的知

47、識(shí)只是九牛一毛，但是我收獲了受益頗多的學(xué)習(xí)方法，好的方法是學(xué)習(xí)的捷徑，我會(huì)在以后的學(xué)習(xí)中更加努力。參考文獻(xiàn)1孟慶鼐，微波技術(shù)，合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2005。2湯一銘薄亞明，6-20GHZ同軸矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，南京郵電大學(xué)論文。3穆思親，7-18GHZ帶SMA接頭同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，電子科技大學(xué)論文。4魏振華田立松馮旭東尹家賢胡粲彬，8-18GHZ同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的分析與設(shè)計(jì)，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院一系文獻(xiàn)。5呂文菁孫厚軍呂昕，同軸-矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的仿真，北京理工大學(xué)微波通信實(shí)驗(yàn)室論文。6孫桂清，寬帶同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所文獻(xiàn)。7陳明珠，W波段矩形

48、波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換器的研制，光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，1996。8閆潤(rùn)卿李英慧，微波技術(shù)基礎(chǔ)，北京理工大學(xué)出版社，2004。9廖承恩，微波技術(shù)基礎(chǔ)，國(guó)防工業(yè)出版社，1994。10朱建清.電磁波工程.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2000。11顧瑞龍.微波技術(shù)與天線(xiàn).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980。12 A.G.Williamson,“Coaxiallyfed,hollowprobeinarectangularwaveguide,"Proc.IEEvol.132,pt.H,pp.273-285,1985.13 I.M.Jarem."Amethodofmomentsandafinite-

49、differencetime-domainanalysisofaprobe-sleevefedrectangularwaveguidecavity,“IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.MTT-39,pp.444-451,Mar.1991.14 M.E.Bialkowski,“Analysisofacostbci-waveguideadaptorincorporatingadielectriccoatedprobe,"IEEEMicrowave&GuidedWavetLetol.I,no.8,pp.211-214.15 GARBK,KASTN

50、ERR.Characteristicimpedanceofarectangulardouble-ridgedTEMlineJ.IEEETransMTT,1997,45(4):554-557.16 RIBLETHJ.TheexactdimensionsofafamilyofrectangularcoaxiallineswithgivenimpedanceJ.IEEETransMTT,1972,20(8):538-541.17 TIANYu-bo,ZHANGBing,WANGXin.NumericalmethodforsolvingcharacteristicparametersofsquareC

51、oaxiallineC/2007IEEEAntennasandPropagationInternationalSymposium.Honolulu,HI,UnitedStates:InstituteofElectricalandElectronicsEngineersInc,2007:73-76.18 SARHANMM,MATTHEWNO.Sadiku.analysisofrectangularCoaxiallinesC/2007IEEERegion5TechnicalConference.Fayetteville,AR,UnitedStates:InstofElecandElecEng,20

52、07:322-325.19 BIALKOWSKIE.AnalysisofaCoaxial-to-waveguideadaptorincludingadiscendedprobeandatuningpostJ.IEEETransMTT,1995,43(2):344-349.20 KEAMRB,WILLIAMSONAG.Broadbanddesignofcoaxialline/rectangularwaveguideprobetransitionJ.IEEProcAntennasandPropagation.1994,141(1):53-58.21323-33222 J.UherJ.Bornema

53、nnUweRosenberg.WaveguideComponentsforAntennaFeedSystems:TheoryandCAD.ArtechHouse,1995,326最后，特別感謝我的父母，在我人生路上他們始終如一的關(guān)懷我、幫助我，無(wú)論是精神上還是經(jīng)濟(jì)上毫無(wú)保留地支持我，使我的學(xué)業(yè)得以順利完成，我將會(huì)在今后的日子里努力工作，報(bào)答他們的養(yǎng)育之恩。附錄英文文獻(xiàn)：TransmissionlineTransmissionlineFromWikipedia,thefreeencyclopediaJumpto:navigation,searchAtransmissionlineisamater

54、ialmediumorstructurethatformsapathfordirectingthetransmissionofenergyfromoneplacetoanother,suchaselectromagneticwavesoracousticwaves,aswellaselectricpowertransmission.Howeverincommunicationsandelectronicengineering,thetermhasamorespecificmeaning.Inthesefields,transmissionlinesarespecializedcablesand

55、othermediadesignedtocarryalternatingcurrentandelectromagneticwavesofradiofrequency,thatis,currentswithafrequencyhighenoughthatitswavenaturemustbetakenintoaccount.Transmissionlinesareusedforpurposessuchasconnectingradiotransmittersandreceiverswiththeirantennas,distributingcabletelevisionsignals,andco

56、mputernetworkconnections.OrdinaryelectricalcablessufficetocarrylowfrequencyAC,suchasmainspower,whichreversesdirection50to60timespersecond.However,theycannotbeusedtocarrycurrentsintheradiofrequencyrangeorhigher,whichreversedirectionmillionstobillionsoftimespersecond,becausetheenergytendstoradiateofft

57、hecableasradiowaves,causingpowerlosses.Radiofrequencycurrentsalsotendtoreflectfromdiscontinuitiesinthecablesuchasconnectors,andtravelbackdownthecabletowardthesource.Thesereflectionsactasbottlenecks,preventingthepowerfromreachingthedestination.Transmissionlinesusespecializedconstructionsuchaspreciseconductordimensionsandspacing,andimpedancematching,tocarryelectromagneticsignalswithminimalreflectionsandpowerlosses.Typesoftransmissionlineincludeladderline,coaxialcable,die