圓波導耦合TM01模旋轉關(guān)節仿真設計

　　波導旋轉關(guān)節是工程中經(jīng)常用到的微波器件，目前工程中使用的均為同軸式旋轉關(guān)節，或圓波導式關(guān)節，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工程中的波導旋轉關(guān)節的基本原理及設計方法。

　　1旋轉關(guān)節的設計

　　圓波導中傳輸的高次波型TM01模，其場(chǎng)型結構如圖1所示。從場(chǎng)型分布可以看出：電場(chǎng)與圓周處垂直旋轉對稱(chēng)，相位穩定。根據圓波導的設計原理，初步選取波導尺寸，并在圓波導兩端對稱(chēng)地開(kāi)孔，選取合適的孔徑尺寸，使圓波導中的TM01模被矩形波導中的TE10模所激勵，這是因為矩形波導中TE10模的磁場(chǎng)與TM01模的磁場(chǎng)方向一致。根據波導傳輸耦合原理，在圓波導中心適當部位選擇截面縫隙作為扼流槽，即為轉動(dòng)部位。槽寬約為0.01λ，高度與長(cháng)度約為 λ／4，λ是工作波長(cháng)。

　　圓波導中的TM01模不是其最低模式，還有TE11模與他可以同時(shí)存在，所以我們要設法抑制矩形波導TE10模激勵出圓波導中的TE11模。抑制方法是可以在關(guān)節的兩端各加一個(gè)短路圓筒，選取短路圓筒的直徑D1稍小于D2。根據TE11模與TM01模在短路圓筒中各有不同的波導波長(cháng)，可以選取短路圓筒的長(cháng)度L1滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

　　當選取尺寸后，將圓筒串聯(lián)接于矩形波導與圓形波導構成的主線(xiàn)上，則3/4λ(TE11)的短路線(xiàn)的輸入阻抗為無(wú)窮大， 1/2λg(TM01)短路線(xiàn)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，我們還要對圓波導的直徑D2有所限制，使他滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

　　這樣，一個(gè)波導式旋轉關(guān)節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)行仿真計算，調整選取適當的尺寸經(jīng)改變圓波導與標準矩形波導加入階梯式過(guò)渡段，調整耦合孔徑大小及位置，便可計算獲得滿(mǎn)足或高于工程所提技術(shù)指標要求。

　　需要注意的是與圓波導連接的矩形波導的尺寸，以及他的端口距關(guān)節中心的距離的選取，對于改善關(guān)節的駐波與增加帶寬十分重要，設計時(shí)應多加觀(guān)察。

　　2仿真結果

　　TM01模波導耦合式旋轉關(guān)節相對帶寬為4％時(shí)仿真設計的結果如下：

　　仿真設計關(guān)節的結構形式如圖2所示，設置其端口輸入的功率為1 MW，所得到的關(guān)節內部場(chǎng)強分布如圖3所示，端口駐波曲線(xiàn)如圖4所示，插入損耗曲線(xiàn)如圖5所示。

　　3結果分析

　　3.1加工誤差分析

　　在仿真關(guān)節的關(guān)鍵部位，改變耦合孔尺寸，考慮加工耦合孔確保精度較難，故對孔尺寸稍作改變，增加或減小0.2～0.4 mm。觀(guān)察計算結果變化僅在-27±1 dB范圍以?xún)?。這表明加工誤差在允許范圍內，對其性能影響不大。