圓波導(dǎo)耦合TM01模旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)仿真設(shè)計(jì)
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波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是工程中經(jīng)常用到的微波器件，目前工程中使用的均為同軸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，或圓波導(dǎo)式關(guān)節(jié)，其工作模式分別為T(mén)EM模和TE11模。本文介紹一種用于某雷達(dá)工程中的波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的基本原理及設(shè)計(jì)方法。
1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)
圓波導(dǎo)中傳輸?shù)母叽尾ㄐ蚑M01模，其場(chǎng)型結(jié)構(gòu)如圖1所示。從場(chǎng)型分布可以看出：電場(chǎng)與圓周處"垂直旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，相位穩(wěn)定"。根據(jù)圓波導(dǎo)的設(shè)計(jì)原理，初步選取波導(dǎo)尺寸，并在圓波導(dǎo)兩端對(duì)稱地開(kāi)孔，選取合適的孔徑尺寸，使圓波導(dǎo)中的TM01模被矩形波導(dǎo)中的TE10模所激勵(lì)，這是因?yàn)榫匦尾▽?dǎo)中TE10模的磁場(chǎng)與TM01模的磁場(chǎng)方向一致。根據(jù)波導(dǎo)傳輸耦合原理，在圓波導(dǎo)中心適當(dāng)部位選擇截面縫隙作為扼流槽，即為轉(zhuǎn)動(dòng)部位。槽寬約為0.01λ，高度與長(zhǎng)度約為 λ／4，λ是工作波長(zhǎng)。
圓波導(dǎo)中的TM01模不是其最低模式，還有TE11模與他可以同時(shí)存在，所以我們要設(shè)法抑制矩形波導(dǎo)TE10模激勵(lì)出圓波導(dǎo)中的TE11模。抑制方法是可以在關(guān)節(jié)的兩端各加一個(gè)短路圓筒，選取短路圓筒的直徑D1稍小于D2。根據(jù)TE11模與TM01模在短路圓筒中各有不同的波導(dǎo)波長(zhǎng)，可以選取短路圓筒的長(zhǎng)度L1滿足以下關(guān)系式：
當(dāng)選取尺寸后，將圓筒串聯(lián)接于矩形波導(dǎo)與圓形波導(dǎo)構(gòu)成的主線上，則3/4λ(TE11)的短路線的輸入阻抗為無(wú)窮大， 1/2λg(TM01)短路線的輸人阻抗為零，因此可將TE11模反射，讓TM01模通過(guò)，從而起到了抑制TE11模的作用。
為了抑制與TM01模最鄰近的高次模TE21模，我們還要對(duì)圓波導(dǎo)的直徑D2有所限制，使他滿足以下關(guān)系式：
這樣，一個(gè)波導(dǎo)式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)各部位的尺寸就可以初步選定。以選定的尺寸通過(guò)使用高頻仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，調(diào)整選取適當(dāng)?shù)某叽缃?jīng)改變圓波導(dǎo)與標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)加入階梯式過(guò)渡段，調(diào)整耦合孔徑大小及位置，便可計(jì)算獲得滿足或高于工程所提技術(shù)指標(biāo)要求。
需要注意的是與圓波導(dǎo)連接的矩形波導(dǎo)的尺寸，以及他的端口距關(guān)節(jié)中心的距離的選取，對(duì)于改善關(guān)節(jié)的駐波與增加帶寬十分重要，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多加觀察。
2仿真結(jié)果
TM01模波導(dǎo)耦合式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)帶寬為4％時(shí)仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果如下：
仿真設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，設(shè)置其端口輸入的功率為1 MW，所得到的關(guān)節(jié)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布如圖3所示，端口駐波曲線如圖4所示，插入損耗曲線如圖5所示。
3結(jié)果分析
3.1加工誤差分析
在仿真關(guān)節(jié)的關(guān)鍵部位，改變耦合孔尺寸，考慮加工耦合孔確保精度較難，故對(duì)孔尺寸稍作改變，增加或減小0.2～0.4 mm。觀察計(jì)算結(jié)果變化僅在-27±1 dB范圍以內(nèi)。這表明加工誤差在允許范圍內(nèi)，對(duì)其性能影響不大。
3.2仿真與實(shí)物結(jié)果分析
仿真確定關(guān)節(jié)尺寸，加工成實(shí)物后，則對(duì)其實(shí)物進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果反射損耗曲線見(jiàn)圖6，插入損耗曲線如圖7所示。在相對(duì)帶寬8.1％的范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果十分吻合。
4結(jié)語(yǔ)
由這種方法設(shè)計(jì)出的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在仿真計(jì)算上比較容易建立起模型，而且用仿真軟件可以方便地求得關(guān)節(jié)兩端口間的夾角分別在任意角度的各項(xiàng)性能參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出具有耐高功率，相位穩(wěn)定和低損耗特點(diǎn)的波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。通過(guò)使用ANSOFT公司的HFSS軟件對(duì)用上述方法設(shè)計(jì)出的波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行仿真計(jì)算后，根據(jù)仿真尺寸所加工出的實(shí)物，對(duì)其測(cè)試后所得數(shù)據(jù)與仿真所得數(shù)據(jù)基本一致，滿足工程需要。
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