Ku頻段小型化波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

張寧寧，鄧方藝，楊麗娜

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作為傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)天線與發(fā)射機(jī)的重要連接部件,可分為同軸型[1-2]和波導(dǎo)型[3]兩類，波導(dǎo)型功率容量明顯優(yōu)于同軸型，且損耗低，對提升雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射功率有重要意義。然而彈載等應(yīng)用環(huán)境，由于空間尺寸受限，波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的小型化設(shè)計(jì)成為難點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)小型化，文中采用窄邊尺寸大比例壓縮矩形波導(dǎo)(簡稱“壓縮波導(dǎo)”)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電磁波傳輸。矩形波導(dǎo)常用模式變換結(jié)構(gòu)可通過采用增加濾波筒[4-6]、圓環(huán)、模式變換短路塊[5]、長圓形的TE11模抑制溝槽[7-8]等方法來實(shí)現(xiàn)。不同的模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)決定了旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的尺寸以及其工程化實(shí)現(xiàn)方式。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)輸入輸出端口均采用壓縮波導(dǎo)，分別對濾波筒結(jié)構(gòu)、模式變換短路塊結(jié)構(gòu)、長圓形的TE11模抑制溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證。在采用壓縮波導(dǎo)的前提下，文中探索研究一種小型化且易于工程化實(shí)現(xiàn)的矩形波導(dǎo)到圓波導(dǎo)的模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上完成二維波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)。

1 波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)理論

1.1 波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

根據(jù)小型化設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)了一個Ku頻段二維壓縮波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。一維波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由兩端的輸入、輸出壓縮矩形波導(dǎo)、模式變換塊、中間的圓波導(dǎo)組成。模式變換塊結(jié)構(gòu)位于波導(dǎo)中，可有效縮小旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的體積。壓縮波導(dǎo)選取的口徑尺寸為13 mm×2 mm，圓波導(dǎo)的半徑在保證TM01模正常傳輸條件下采用最小化原則進(jìn)行選取，滿足旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的小型化設(shè)計(jì)需求。

傳輸模式的截止波長分布情況如圖1所示。TE11模是圓波導(dǎo)的主模，具有最長的截止波長，但由于存在極化簡并，難于實(shí)現(xiàn)單模傳輸[9]。TM01模不存在極化簡并，其場分布具有軸對稱特性，如圖2所示，磁場分布只有周向分量，面電流只有縱向分量，因此常將該模式作為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中的工作模式。但因TM01模不是圓波導(dǎo)的主模，它的主模是TE11模，所以旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)需要抑制TE11模。

圖1 圓波導(dǎo)中傳輸模式的截止波長分布圖

圖2 圓波導(dǎo)中的TM01模的電磁場結(jié)構(gòu)分布

由圖1可知，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)工作波長為λ時，則圓波導(dǎo)半徑R選擇應(yīng)滿足：λ/2.61

1.2 經(jīng)典模式變換結(jié)構(gòu)

1.2.1 濾波筒結(jié)構(gòu)

濾波筒結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，若工作頻率確定，可以通過選擇圓波導(dǎo)的半徑來傳輸TM01模同時抑制某些模式的傳輸。根據(jù)TE11模與TM01模在短路面中波導(dǎo)波長的不同，選取短路面部分的直徑稍小于圓波導(dǎo)的直徑，調(diào)整短路面部分的長度，使得短路面長度既等于TE11波導(dǎo)波長的3/4，又等于TM01波導(dǎo)波長的1/2，此時TE11的短路線的輸入阻抗為無窮大，TM01的短路線的輸入阻抗為0，因此該結(jié)構(gòu)可將TE11模完全反射，而讓TM01模順利通過，從而達(dá)到消除TE11模的目的。

圖3 濾波筒模式變換結(jié)構(gòu)

濾波筒的尺寸大小決定了旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的高度尺寸。該結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)相位穩(wěn)定和耐高功率等特性。經(jīng)仿真驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)既可適用于標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，亦可適用于窄邊大比例壓縮波導(dǎo)。

1.2.2 模式變換短路塊結(jié)構(gòu)

模式變換短路塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。短路塊的厚度選取應(yīng)保證在矩形波導(dǎo)到圓波導(dǎo)連接位置處，矩形波導(dǎo)輸入波在圓波導(dǎo)中心的相位與傳輸?shù)蕉搪穳K的反射波達(dá)到圓波導(dǎo)中心的相位相同。圓波導(dǎo)的高度也會一定程度影響旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的模式抑制情況。

圖4 模式變換短路塊結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)中短路塊位于圓波導(dǎo)中，因此可以有效縮小旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)體積。但矩形波導(dǎo)采用窄邊大尺寸壓縮波導(dǎo)時，經(jīng)過仿真驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)不適用，無法有效抑制TE11模，傳輸TM01模。

1.2.3 長圓形的抑制溝槽結(jié)構(gòu)

長圓形的抑制溝槽結(jié)構(gòu)如圖5～圖6所示。長圓形的模式抑制溝槽對稱分布在圓波導(dǎo)徑向方向，長度為波導(dǎo)中傳輸電磁波波長的1/2或者波長的1/2的整數(shù)倍。矩形波導(dǎo)的一端為短路面結(jié)構(gòu)，形成短路反射。兩個結(jié)構(gòu)結(jié)合起來形成長圓形的TE11模抑制溝槽結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^優(yōu)化短路面的長度、長圓形的抑制溝槽的長度、高度等來抑制TE11模，傳輸TM01模。

圖5 長圓形的抑制溝槽模式變換結(jié)構(gòu)(側(cè)視圖)

圖6 長圓形TE11模抑制溝槽模式變換結(jié)構(gòu)(俯視圖)

經(jīng)過仿真驗(yàn)證,該結(jié)構(gòu)對矩形波導(dǎo)適用，不適用于窄邊大比例壓縮波導(dǎo)。

1.3 模式變換結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

對體積較小的模式變換短路塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到一種新穎的小型化壓縮波導(dǎo)到圓波導(dǎo)的模式變化結(jié)構(gòu)，如圖7所示。該結(jié)構(gòu)由壓縮波導(dǎo)、壓縮波導(dǎo)短路面、圓波導(dǎo)、圓波導(dǎo)中模式變換短路塊4個部分組成。主要通過調(diào)節(jié)壓縮矩形波導(dǎo)中短路面的尺寸,模式變換短路塊的深度和高度來有效抑制TE11模，傳輸TM01模。

模式變換短路塊和壓縮波導(dǎo)短路面均位于波導(dǎo)中，不占用額外的空間，該結(jié)構(gòu)可以有效縮小旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的體積，達(dá)到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的小型化設(shè)計(jì)要求，且結(jié)構(gòu)簡單，易于工程化實(shí)現(xiàn)。

2 波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化

2.1 一維波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化

一維波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先對其模式變換結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，仿真模型如圖8所示，在圓波導(dǎo)端口設(shè)置3種模式積分線(TE11模1以及其極化簡并模2、 TM01模3)分別對壓縮波導(dǎo)的短路面長度、模式變換塊的高度以及深度尺寸進(jìn)行優(yōu)化，最終根據(jù)壓縮波導(dǎo)到圓波導(dǎo)端口模式1和模式2的抑制情況、模式3傳輸情況選取最優(yōu)設(shè)計(jì)仿真參數(shù)。

圖8 模式變換結(jié)構(gòu)仿真模型

在模式變換結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)基礎(chǔ)上，增加調(diào)諧窗，調(diào)節(jié)波導(dǎo)端口駐波，進(jìn)行一維波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)最終仿真模型的建立。一維波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)仿真模型如圖9所示，其中位于圓波導(dǎo)兩端的壓縮波導(dǎo)的輸入端口與輸出端口互相垂直。

圖9 一維波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)仿真模型

一維波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度范圍為±60°，端口駐波仿真結(jié)果如圖10所示，兩端口之間插入損耗仿真結(jié)果如圖11所示。由仿真結(jié)果可得，端口電壓駐波比VSWR≤1.2時，帶寬為0.9 GHz，對應(yīng)工作帶寬內(nèi)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的插入損耗S12≤0.034 dB。

圖10 一維波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)端口駐波仿真結(jié)果

圖11 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)兩端口之間插入損耗仿真結(jié)果

2.2 二維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化

將以上仿真設(shè)計(jì)的兩個一維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)按照需求位置和角度放置，并通過過渡波導(dǎo)連接，形成二維波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)如圖12所示。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的扼流槽設(shè)計(jì)比較成熟，不再贅述，可根據(jù)自身結(jié)構(gòu)需求選擇適合的扼流槽結(jié)構(gòu)形式。文中二維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)最終仿真結(jié)果如圖13～圖14所示。在兩個端口同時旋轉(zhuǎn)的情況下，旋轉(zhuǎn)角度范圍均為±60°，其VSWR≤1.2時，帶寬為0.7 GHz，該范圍內(nèi)插入損耗S12≤0.17 dB。

圖13 二維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)端口駐波仿真結(jié)果

圖14 二維旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)兩端口之間插入損耗仿真結(jié)果

3 結(jié)論

文中提出一種新穎的矩形波導(dǎo)到圓波導(dǎo)的模式變換結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單且易于工程化實(shí)現(xiàn)。采用Ansoft HFSS軟件對此模式變換結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明:以此新模式變換結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的小型化二維波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在0.7 GHz的寬頻帶范圍，±60°旋轉(zhuǎn)角度內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較優(yōu)的端口駐波以及插入損耗性能。