矩形波导转换器的设计方案解析

在微波系统中，常使用到一种很普遍的部件，即由一种传输线变换到另一种传输线的过渡元件，称为波型转换器，也称为波型激励器。对波型转换器的要求是：（1）能激励出所需要的波型；（2）驻波系数尽量小。
　　为实现宽频带内良好的阻抗匹配，目前广泛使用的宽频带同轴—矩形波导转换器，主要有两种形式，探针式和脊波导过渡式。探针式，即将插入波导腔的同轴线内导体顶部连接上金属圆盘或球，以及在波导腔上设置若干调谐螺钉。脊波导过渡式，通过在波导中加脊片，组成阶梯阻抗变换器，使脊波导的输出阻抗接近同轴线的特性阻抗，以达到阻抗匹配的目的。
　　在这些技术中，为降低成本，采用SMA同轴连接器接头一般为标准产品，其介质、内外径都是确定的。这种结构带来两方面的问题：（1）SMA接头只能在单模工作在一定频率（18GHz）以下，在更高频率时SMA接头中的高次模将严重影响转换器的工作带宽，如果采用其它工作频率更高的标准接头，如K接头，其价格高出SMA接头许多，将大大提高成本；（2）转换器设计参数比较少，不易做到匹配。
　　2 探针型同轴—矩形波导转换器
　　相比于脊波导过渡式转换器，探针型转换器具有频带宽、易加工的优点，故本文只在针对这种形式的转换器做讨论。探针式同轴—波导转换器是将同轴线的内导体做成探针的形式从波导的宽边插入到波导腔中，在探针顶部加一圆盘或小球，波导一端口短路，另一端口输出。在波导腔内加若干调谐螺钉。
　　通过调整下列三个尺寸来达到同轴—矩形波导转换器在工作频带内有较好的匹配：（1）探针到短路端的距离i；（2）探针的长度f；（3）探针顶部圆盘的厚度h和直径g；（4）调谐螺钉的位置。
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　　图1 探针式同轴—矩形波导转换器
　　如上图所示，标准的SMA接头其外径mm，内径mm，而介质的相对介电常数。其截止频率大概在18GHz左右。
　　本文设计了一个从波导型号为BJ220的标准波导口到内外径为1.3mm和4.1mm的同轴线的探针型转接器。标准波导BJ220的工作频率为17.6—26.7GHz，其范围已经超过SMA接头的工作频率范围。通过软件仿真，其最优结果如图2所示。