Ku波段寬帶波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

陳續(xù)戰(zhàn) 楊睿萍 王風(fēng)

摘要：波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是機(jī)械式掃描雷達(dá)系統(tǒng)中的重要部件，它使得雷達(dá)在轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)電磁波可以順利傳輸，文章設(shè)計(jì)出一種Ku波段寬帶波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，給出了設(shè)計(jì)依據(jù)和設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后，在此基礎(chǔ)上加工出關(guān)節(jié)實(shí)物，測試結(jié)果和仿真基本一致，帶寬可達(dá)37%。

關(guān)鍵詞：寬帶波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；Ku波段；切比雪夫阻抗變換

隨著現(xiàn)代雷達(dá)的發(fā)展，高頻和寬帶是機(jī)械掃雷達(dá)兩個(gè)重要的發(fā)展方向，同時(shí)也對旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)提出了寬帶、多路等更高的要求。本文設(shè)計(jì)一種寬帶Ku波段單路波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，具有多路擴(kuò)展性。圓波導(dǎo)過渡、探針式過渡、0 dB耦合器式過渡的設(shè)計(jì)形式只能用于單路關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，門扭式過渡的波導(dǎo)關(guān)節(jié)雖然具備擴(kuò)展性，但帶寬一般只能到15%左右。本文設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)采用波導(dǎo)一同軸一波導(dǎo)的設(shè)計(jì)形式，另外兩路可以從同軸內(nèi)芯穿過以及采用同軸耦合環(huán)式設(shè)計(jì)。為了獲得更大的帶寬，采用切比雪夫阻抗變換過渡，經(jīng)過仿真驗(yàn)證，在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，帶寬可以達(dá)到37%。最終進(jìn)行了實(shí)物加工，電性能各項(xiàng)測試指標(biāo)達(dá)到預(yù)期。

1 原理分析

與矩形波導(dǎo)相比，在相同橫截面尺寸的條件下，脊波導(dǎo)單模工作頻帶更寬，等效阻抗更低，因此采用脊波導(dǎo)作為矩形波導(dǎo)和同軸線之間的阻抗過渡。為了獲取更大的帶寬，采用多級變換[3]。本文中的關(guān)節(jié)采用基于切比雪夫阻抗變換的階梯式阻抗過渡設(shè)計(jì)。即過渡段反射系數(shù)的模∣Γ∣在帶寬內(nèi)的分布規(guī)律按照n階第一列切比雪夫函數(shù)來分布。切比雪夫阻抗變換器同其他變化器相比，在給定反射系數(shù)和總長度的條件下帶寬最寬。

下面給出相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)流程。

1.1 確定同軸線外導(dǎo)體內(nèi)徑D和內(nèi)導(dǎo)體外徑d

至此，完成了關(guān)節(jié)中各參數(shù)的理論計(jì)算。然而，由于上述理論模型無法反映出不連續(xù)性，得到各項(xiàng)參數(shù)后需要通過仿真實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，方能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2 仿真設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電氣性能需滿足以下條件：（1）帶寬12.1?17.6 GHz；（2）電壓駐波比1.6以內(nèi)；（3）損耗小于 1.0 dB。

利用上述計(jì)算方法通過Matlab計(jì)算和Ansoft HFSS電性能仿真，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試參數(shù)得到具體參數(shù)如下：

使用Ansoft HFSS軟件仿真結(jié)果如圖2—3所示，其中圖2為仿真建模結(jié)構(gòu)，圖3為對應(yīng)的駐波和損耗曲線。

由仿真結(jié)果可以看出，在12.1?17.6 G范圍內(nèi)駐波滿足小于1.6，插損滿足小于1 dB的要求。證明了各項(xiàng)參數(shù)的可行性。

3 實(shí)物制作及測試

依照最終的仿真結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)出加工結(jié)構(gòu)如圖4所示，經(jīng)過半年的實(shí)物加工過程，完成實(shí)物的制作工作，實(shí)物如圖5所示。

接著，對關(guān)節(jié)實(shí)物通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試及測試，測試過程如圖6所示。圖7（a）和（b）分別給出了該關(guān)節(jié)駐波和損耗的實(shí)測結(jié)果。與圖3的仿真結(jié)果相較，駐波特性曲線基本吻合，然而損耗曲線有一定的差距。一個(gè)可能的原因是加工工藝的不完善和難以避免的加工誤差。實(shí)測結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一種Ku波段寬帶波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。在理論計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加工出關(guān)節(jié)實(shí)物，實(shí)物電性能測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。最終實(shí)物測試帶寬可達(dá)37%，損耗0.6 dB，駐波1.6。通過從同軸內(nèi)芯穿過以及采用同軸耦合環(huán)式設(shè)計(jì)，此關(guān)節(jié)可擴(kuò)展為三路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。綜上所述，該關(guān)節(jié)實(shí)物測試各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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