Ku同軸-波導轉接頭帶外抑制特性分析*

徐 卓 徐謖欽賴 平 曾 璐

（1.武警廣西總隊參謀部 南寧 530031）（2.91497部隊 寧波 315000）（3.32382部隊 武漢 430311）

1 引言

波導因其反射損耗小、傳輸衰減低、功率容量高、易于與同軸線纜匹配，廣泛應用于Ku衛(wèi)星通信中［1～3］。通常針對其帶內傳輸與反射特性開展研究［4～12］，對于其低頻帶外抑制特性分析的文獻未見公開報道。事實上，同軸-波導轉接頭的低頻帶外抑制特性直接影響Ku衛(wèi)通低頻帶外雜散發(fā)射與接收。特別是，良好的低頻帶外抑制特性可阻止帶外雜散發(fā)射信號進入衛(wèi)通設備，避免帶外雜散發(fā)射信號進一步進入中頻設備，從而引起電磁兼容問題。

Ku衛(wèi)通同軸-波導轉接頭的低頻帶外抑制能力通常可達-150dB，帶外與帶內特性同時仿真時，對電磁仿真軟件的計算精度提出極高的要求。與此同時，常規(guī)矢量網(wǎng)絡分析儀的測量精度約為-100dBm，難以精確測量Ku衛(wèi)通同軸-波導轉接頭的低頻帶外抑制特性。

本文針對Ku同軸-波導轉接頭帶外抑制特性，在仿真軟件和測試儀器精度允許的范圍內，通過仿真與測試，分析了其帶外抑制特性，結果吻合較好。進一步地，預測了附加150mm波導管后的低頻帶外抑制特性，對評估不同長度Ku同軸-波導轉接頭帶外抑制特性具有重要的參考價值。

2 波導初步仿真

衛(wèi)通天線射頻端通常采用矩形波導，長、寬分別約為19mm、9.5mm，與BJ120標準矩形波導的主要參數(shù)相吻合［2］，如表1所示。

根據(jù)表1建立了矩形波導仿真模型。

表1 BJ120標準矩形波導主要參數(shù)表

1）CST實體模型

如圖1（a）所示，為在CST仿真軟件中建立的仿真模型，波導的背景材料為空氣，且為吸收邊界條件，采用時域求解器。圖1（b）為仿真結果，波導管呈現(xiàn)高通特性。隨著波導管長度的增大，反射特性變化較小，低頻阻帶效果逐漸變好。

圖1 CST中實體建模及仿真結果

2）CST等效模型

在CST中建立等效模型，背景材料為PEC，波導內部材料為空氣，如圖2所示，采用頻域求解器。可以明顯看出波導在TE10模的截止頻率為7.87GHz。

圖2 CST中等效仿真模型（3GHz～10GHz）

3）HFSS實體模型

在HFSS中建立實體模型，端口為waveport，如圖3所示，仿真結果與圖2類似。

圖3 HFSS實體模型

上述三種仿真方法出現(xiàn)差異的主要原因有：為了求解的高效，圖1中CST采用了時域求解器，然而頻帶過寬，所以誤差較大。經(jīng)過驗證圖1背景材料為PEC建模和圖2實體建模結果是一樣的，因此，盡管前者在建模、仿真效率等上有優(yōu)勢，但不符合實際情況。與此同時，HFSS采用的是頻域求解器，計算結果更為合理一些。為更進一步核實該問題，CST、HFSS的求解頻帶為3GHz～5GHz，推導矩形波導的理論衰減公式為

特別需要注意的是，3GHz～5GHz在波導的截止頻率以下，β應該為負的純虛數(shù)。

對于最低次主模式TE10(m=1,n=0)，計算得不同距離的衰減如圖4所示，結果整理于表2，波導長度變化在25mm～100mm的范圍內，理論計算、CST、HFSS均吻合較好，隨著長度的進一步增大，軟件由于受到收斂精度的影響，誤差逐漸增大。

圖4 CST、HFSS實體建模及仿真結果（3GHz～5GHz）

表2 BJ120標準矩形波導3GHz時的衰減（19mm、9.5mm）

3 波導-同軸轉接頭仿真分析

建立I型波導-同軸轉接頭仿真模型，如圖5所示，帶內（12GHz～13GHz）同軸端具有良好的傳輸和反射特性，帶外（2.5GHz～4.5GHz）同軸端輸入電磁波進入波導，但不再從波導端輸出，能量主要“存貯”于波導中。

圖5 I型轉接頭仿真結果

將上述兩型波導連接起來，如圖6所示，帶內具有較好的反射特性、傳輸特性，帶外入射能量全部返回且隔離度較高。

圖6 兩個轉接頭合在一起仿真結果

需特別說明的是，帶轉接頭的波導尺寸均為19.05mm、9.225mm。根據(jù)前述仿真結果，I型、II型轉接頭、I型+II型轉轉接頭的帶外（3.2GHz）插損（S12）分別為-33dB、-54.2dB、-92.2dB。經(jīng)測量，衛(wèi)通天線上的U形波導長度約為150mm，由于受到軟件仿真、儀器測量精度的限制，將上述3個器件一同分析，既仿不準，又測不準。因此，在I型+II型轉接頭之間再附加一段波導，通過調整附加波導的長度，盡量控制總插損在-150dB以內，以評估3個器件一同使用時的帶外（3.2GHz）特性。其仿真結果如圖7所示（其中預測是指由附加波導理論計算結果加上I型轉接頭，以及II型轉接頭衰減之后的結果），總結如表3所示。

表3 衛(wèi)通用波導轉接頭分析表（3.2GHz）

圖7 I型+II型轉接頭調整附加波導長度仿真結果

4 波導-同軸轉接頭測試分析

如圖8所示為I型+II型轉接頭的S21理論計算、仿真和測試數(shù)結果，其中測試為I型與II型轉接頭互連并分別連接矢網(wǎng)信號通道。理論計算僅計算了63mm波導的衰減，即沒有考慮同軸饋電的損耗。理論計算、仿真和測試結果吻合較好，兩型轉接頭具有良好的帶內傳輸與帶外抑制特性。

圖8 I型+II型轉接頭結果

5 結語

本文建立了Ku衛(wèi)通兩型同軸-矩形波導轉接頭的仿真模型，分析了其帶內傳輸（12GHz～13GHz）和帶外抑制（2.5GHz～4.5GHz）特性。結果表明，兩型轉接頭帶外（3.2GHz）插損分別為-33dB、-54.2dB，總插損-92.2dB，理論、仿真、測試結果吻合較好。