一種無焊縫軟圓波導(dǎo)仿真與測(cè)試

梁鐵柱，黃文華，朱四桃，房金鵬，江 紅，鄧廣淑，王 穎，李佳偉

（1.高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710024；2.西北核技術(shù)研究所，西安710024；3.零八一集團(tuán)華昌電子有限公司，廣元628000）

一種無焊縫軟圓波導(dǎo)仿真與測(cè)試

梁鐵柱1，2，黃文華1，2，朱四桃1，2，房金鵬1，2，江 紅3，鄧廣淑3，王 穎1，2，李佳偉1，2

（1.高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710024；2.西北核技術(shù)研究所，西安710024；3.零八一集團(tuán)華昌電子有限公司，廣元628000）

采用光壁銅管直接壓制的方法，研制了一種高功率微波無焊縫軟圓波導(dǎo)，作為高功率微波源與發(fā)射平臺(tái)之間的軟連接饋線器件。仿真和測(cè)試結(jié)果表明，在滿足端面二維方向移動(dòng)范圍大于5mm的要求下，該軟圓波導(dǎo)的微波傳輸電壓駐波系數(shù)小于1.1，傳輸圓波導(dǎo)TE11模和TM01模的模式畸變率均小于0.1dB，插入損耗小于0.15dB，功率容量大于3GW，滿足高功率微波傳輸發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)用要求。

高功率微波；功率容量；軟圓波導(dǎo)；插入損耗

高功率微波源與發(fā)射平臺(tái)之間的連接饋線主要由直波導(dǎo)、模式轉(zhuǎn)換器和喇叭饋源［1-3］組成。現(xiàn)有饋線之間的連接多為硬連接，存在的主要問題有：1）饋線連接器件之間的應(yīng)力無法消除；2）發(fā)射平臺(tái)的振動(dòng)容易傳導(dǎo)至饋線和微波源產(chǎn)生器件，導(dǎo)致系統(tǒng)真空下降，微波傳輸饋線損壞及微波不穩(wěn)定；3）微波源和平臺(tái)車對(duì)接困難。因此，如何將饋線之間的連接由硬連接變?yōu)檐涍B接，是現(xiàn)有高功率微波傳輸發(fā)射系統(tǒng)亟待解決的一個(gè)問題。

1 圓波導(dǎo)軟連接形式簡(jiǎn)介

圓波導(dǎo)軟連接形式多樣［4-6］，波紋軟波導(dǎo)是其中主要連接形式之一。波紋軟波導(dǎo)通常有3種形式：互鎖型螺旋圓軟波導(dǎo)、銅帶焊接成圓管的螺旋式軟波導(dǎo)和無焊縫光壁銅管成型的軟圓波導(dǎo)［7］?；ユi型螺旋圓軟波導(dǎo)如圖1所示，它具有良好的彎曲性能，能夠傳輸圓波導(dǎo)TE11模和TM01模。但在互鎖處結(jié)構(gòu)不平滑，功率容量低，真空密封性能差。因此，互鎖型螺旋圓軟波導(dǎo)不滿足高功率微波傳輸反射應(yīng)用需求。

銅帶焊接成圓管的螺旋式軟波導(dǎo)如圖2所示。該軟波導(dǎo)具有優(yōu)良的機(jī)械彎曲性能和微波傳輸性能，但由于焊接處不均勻，同樣存在功率容量低和真空密封性差等缺點(diǎn)。

無焊縫光壁銅管成型的軟圓波導(dǎo)如圖3所示。該軟圓波導(dǎo)采用銅管直接壓制，不存在焊縫，功率容量相對(duì)較高，真空密封性相對(duì)較好，機(jī)械性能可滿足高功率微波傳輸發(fā)射系統(tǒng)軟連接要求。因此，本文以無焊縫軟圓波導(dǎo)為研究對(duì)象，對(duì)其傳輸性能和功率容量進(jìn)行了仿真和測(cè)試。

2 微波傳輸性能仿真

常用高功率微波圓波導(dǎo)直徑為50mm，工作頻率為X波段，中心頻率為9.7GHz，帶寬為100MHz，能夠傳輸TE11、TM01、TE21、TE01和TM21等5個(gè)模式。只要有結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)，就有可能微弱地激化出高次模TM01、TE21、TE01和TM21。這種微弱的激化稱為模式畸變。

當(dāng)波紋軟圓波導(dǎo)傳播TE11模時(shí)，TE11模有可能微弱地畸變。當(dāng)傳播TM01模時(shí)，TM01模也有可能微弱地畸變，并在軸向具有微弱的場(chǎng)變化時(shí)，可能出現(xiàn)TE21模和TM21模。從工程應(yīng)用角度考慮，微弱的畸變應(yīng)控制在可接受范圍內(nèi)。

無焊縫軟圓波導(dǎo)采用正弦曲線結(jié)構(gòu)，其紋深t和截距τ在滿足微波傳輸性能的條件下經(jīng)過優(yōu)化為

采用全波仿真軟件計(jì)算長(zhǎng)度為200mm的無焊縫軟圓波導(dǎo)的傳輸參數(shù)，仿真模型如圖4所示。在無彎折狀態(tài)下，長(zhǎng)度為200mm的無焊縫軟圓波導(dǎo)的傳輸系數(shù)S21隨頻率f的變化如圖5所示。由圖5可見，水平極化TE11模和TM01模的插入損耗（－lgS21）均小于0.02dB，表明在無彎折狀態(tài)下，無焊縫軟圓波導(dǎo)不會(huì)影響微波TE11模和TM01模的傳輸。

長(zhǎng)度為200mm無焊縫軟圓波導(dǎo)兩端口端面軸向距離相差5mm，即均勻彎折5mm狀態(tài)下的傳輸系數(shù)S21隨頻率的變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可見，水平極化模TE11模（TE‖11）、垂直極化TE11模（TE⊥11）和TM01模的插入損耗（－lgS21）均小于0.05dB。

此外，還計(jì)算得到長(zhǎng)度為400mm的無焊縫軟圓波導(dǎo)均勻彎折10mm和長(zhǎng)度為600mm的無焊縫軟圓波導(dǎo)均勻彎折20mm時(shí)，TE11模和TM01模的插入損耗（－lgS21）均小于0.1dB。因此，認(rèn)為無焊縫軟圓波導(dǎo)在正常狀態(tài)（無彎折）和二維方向適度均勻彎折的情況下，對(duì)高功率微波TE11模和TM01模的傳輸影響均較小，滿足高功率微波傳輸要求。

3 場(chǎng)分布仿真

圖7和圖8分別是長(zhǎng)度為200mm無焊縫軟圓波導(dǎo)在無彎折狀態(tài)下，傳輸垂直極化TE11模和TM01模的場(chǎng)分布剖面圖。由圖7和圖8可知，饋入功率為0.5W，無焊縫軟圓波導(dǎo)傳輸TE11模和TM01的最大場(chǎng)強(qiáng)分別為663V·m－1和478V·m－1。

圖9和圖10分別是長(zhǎng)度為200mm的無焊縫軟圓波導(dǎo)，在均勻彎折5mm狀態(tài)下傳輸垂直極化TE11模和TM01模的場(chǎng)分布剖面圖。

由圖9和圖10可知，傳輸功率為1WTE11模的最大場(chǎng)強(qiáng)為1 236V·m－1；傳輸功率為1WTM01模的最大場(chǎng)強(qiáng)為1 143V·m－1。該軟圓波導(dǎo)由于彎折引起的TE11模和TM01模場(chǎng)增強(qiáng)因子分別為1.3和1.8。

綜合上述場(chǎng)分布仿真結(jié)果，可以推算出無焊縫軟圓波導(dǎo)在傳輸功率為3GW時(shí)，傳輸TE11模和TM01模的最高場(chǎng)強(qiáng)為610kV·cm－1。根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在高真空情況下，金屬射頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)閾值為650kV·cm－1。因此，無焊縫軟圓波導(dǎo)可滿足3GW功率容量要求。

4 傳輸性能測(cè)試

4.1 測(cè)試方法

在傳輸信號(hào)為毫瓦量級(jí)的連續(xù)波情況下，測(cè)試無焊縫軟圓波導(dǎo)的端口電壓駐波系數(shù)、傳輸系數(shù)S21和TE11模、TM01模的模式畸變率。

微波頻率在9.7GHz±50MHz范圍內(nèi)，采用圖11所示的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)量。

首先，在沒有無焊縫軟圓波導(dǎo)的情況下，調(diào)節(jié)調(diào)配器，使矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的駐波系數(shù)小于1.02。然后，將無焊縫軟圓波導(dǎo)接入圖11所示的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量軟圓波導(dǎo)傳輸TE11模或TM01模的電壓駐波系數(shù)。

軟圓波導(dǎo)的S21和模式畸變率測(cè)量系統(tǒng)，如圖12所示。

其測(cè)量步驟為

1）矢網(wǎng)調(diào)整至規(guī)定的頻率范圍9.7GHz± 50MHz內(nèi)，系統(tǒng)處于正常的駐波系數(shù)測(cè)量狀態(tài)；

2）采用圓波導(dǎo)TE11模激勵(lì)器，BB移至AA，調(diào)整調(diào)配器，使系統(tǒng)的駐波系數(shù)小于1.02；

3）采用帶SMA負(fù)載，系統(tǒng)處于測(cè)量功率狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)帶SMA負(fù)載，尋找圓波導(dǎo)TE11模的最大值，記下功率P1，dBm。接入無焊縫軟圓波導(dǎo)，BB移至圖12所示位置。旋轉(zhuǎn)帶SMA負(fù)載，尋找TE11模的最大值，記下功率P2，dBm，同時(shí)尋找次大值，記下功率P3，dBm。軟圓波導(dǎo)傳輸TE11模的S21為

軟圓波導(dǎo)TE11模的模式畸變率為

4）模式激勵(lì)器采用圓波導(dǎo)TM01模激勵(lì)器，BB移至AA，調(diào)整調(diào)配器，使系統(tǒng)的駐波系數(shù)小于1.02；

5）采用帶SMA負(fù)載，使系統(tǒng)處于測(cè)量功率狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)帶SMA負(fù)載，每30°角測(cè)試一個(gè)功率電平值Pi，共記錄12個(gè)Pi，按式（4）計(jì)算功率平均值

6）接入無焊縫軟圓波導(dǎo)，系統(tǒng)還原到圖12所示狀態(tài)，重復(fù)步驟6），按式（6）計(jì)算功率平均值

7）無焊縫軟圓波導(dǎo)TM01模的S21為

無焊縫軟圓波導(dǎo)TM01模的模式畸變率為

4.2 性能測(cè)試結(jié)果

加工完成的長(zhǎng)度為200mm的無焊縫軟圓波導(dǎo)如圖13所示，其微波傳輸性能測(cè)試結(jié)果分別如圖14和圖15所示。

測(cè)試結(jié)果表明，無焊縫軟圓波導(dǎo)的駐波系數(shù)小于1.1，傳輸圓波導(dǎo)TE11模和TM01模的模式畸變率均小于0.1dB；插入損耗小于0.15dB，滿足現(xiàn)有高功率微波傳輸發(fā)射系統(tǒng)對(duì)波導(dǎo)軟連接的需求。

［1］梁鐵柱，黃文華，田唯仁，等.高功率容量波束波導(dǎo)設(shè)計(jì)與模擬研究［C］／／全國(guó)微波與毫米波會(huì)議論文集（上冊(cè)），上海，2011：1 573 1 576.（LIANG Tie－zhu，HUANG Wen－h(huán)ua，TIAN Wei－ren，et al.Design and simulation of high power microwave beam waveguide［C］／／Microwave and Millimeter Wave Conference，2011：1 573 1 576.）

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［7］薛人煒，薛耀明，郁伯英.大功率矩形軟波導(dǎo)的研制［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2005（6）：18 20.（XUE Ren－wei，XUE Yao－ming，YU Bo－ying.High power flexible rectangular waveguide［J］.Optical Fiber ＆Electric Cable and Their Applications，2005（6）：18 20.）

Simulation and Test of a Corrugated Flexible Circular Waveguide Without a Soldering Slot

LIANG Tie－zhu1，2，HUANG Wen－h(huán)ua1，2，ZHU Si－tao1，2，F(xiàn)ANG Jin－peng1，2，JIANG Hong3，DENG Guang－shu3，WANG Ying1，2，LI Jia－wei1，2
（1.Science and Technology on High Power Microwave Laboratory，Xi'an 710024，China；2.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China；3.Huachang Electronic Ltd of 081Group，Guangyuan 628000，China）

A corrugated flexible circular waveguide was fabricated to link the HPM source and the transmission system.The simulation and test on the performance of the waveguide shows that，with the shift range of 5mm，the waveguide has a power capacity more than 3 GW，an insertion loss less than 0.15dB，and a VSWR lower than 1.1.For TE11and TM01mode，the mode aberration is less than 0.1dB.The fabricated waveguide satisfies the requirements for the HPM transmission system.

high power microwave；power capacity；corrugated flexible waveguide；insertion loss

TN814

A

2095 6223（2015）03 197 05

2015 05 05；

2015 07 16

梁鐵柱（1981－），河南睢縣人，助理研究員，碩士，主要從事高功率微波傳輸與發(fā)射技術(shù)研究。

E－mail：liangtiezhu＠nint.ac.cn